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《张朝阳的物理课》首次走向线下 现场推导方程E=mc²

发布日期:2022-05-17 19:23    点击次数:165

  3月11日,《张朝阳的物理课》线下“新春第一课”首次开讲,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳与来自北京各高校的物理学子及物理爱好者们一起探讨物理的奥秘。

  “这个活动是非常独特的。”张朝阳在开场说道,“物理课我在线上已经完成三十讲了,覆盖了很多话题,今天别开生面,第一次走到线下。”

  线下“新春第一课”,张朝阳重点讲解了狭义相对论中最著名的方程E=mc²,并结合案例加以解释。这个小小的公式蕴藏了巨大的能量,可以把一丁点儿的质量放大成巨大的能量,甚至原子弹、氢弹、太阳的能量都与此有关。张朝阳表示,“所以这个公式非常重要,与每个人的生活息息相关。”

  “我的课比较强调硬核推导。”张朝阳介绍,要理解狭义相对论,必须先了解光速的特殊性。课堂上,他从光速不变理论出发,通过各种思想实验推导出时间膨胀、长度收缩、质速关系等违反直觉的相对论效应,利用质速关系与能量的定义进一步推导质能关系,并讲解了质能关系的意义与应用。

  在其后的互动环节中,张朝阳还与同学们探讨了各种物理问题。包括薛定谔是如何猜测出薛定谔方程的?张朝阳对此进行了现场推导:爱因斯坦假设光子存在,并且提出了光的波粒二象性;德布罗意进一步假设所有物质都具有波粒二象性,且对于物质粒子,可以仿照电磁波的形式描写物质波;之后,波对时间求导可以得到能量相关的项,波对空间求导可以得到动量相关的项目;最后,将哈密顿量中的能量与动量换成相应的算符,并把研究对象用波函数形式表达,即可猜出薛定谔方程。

  此外,对于“如何用不确定性原理估算出氢原子半径?”的问题,张朝阳解释,从经典电动力学的观点看,电子绕原子核转动会向外辐射电磁波,能量降低,且迅速塌缩到原子核里,那么氢原子就不能稳定存在了。但在量子力学中,定性地讲,动量与位置满足不确定性关系,电子往原子核塌缩时,其位置不确定度越小,动量不确定度就越大,从而让电子有远离原子核的趋势,抵消了电子往原子核塌缩的趋势。

  此外,人大附中物理教师、科普视频创作者李永乐也来到了“新春第一课”的现场,作为特邀嘉宾,与张朝阳一起和同学们进行互动交流。

  对于同学们都很关心的爱因斯坦与相对论的问题,李永乐现场补充解释,狭义相对论最大的局限是不能处理引力问题。爱因斯坦提出等效原理,认为引力场与以适当加速度运动的参考系是等价的,这扩充了惯性系的概念,跟随引力自由落体的参考系其实可以看成一个局部的惯性系。这暗示了引力其实是时空的一个属性,而不只是一种单纯的力,因此爱因斯坦进一步将引力几何化,得到了广义相对论。

  此外,他还聊到了爱因斯坦的奇闻轶事,讲述了他提出狭义相对论乃至广义相对论的历史过程,以及在这个过程中,他受到朋友们的帮助和启发的故事。

  截至目前,《张朝阳的物理课》已直播三十多期。张朝阳1986年从清华大学物理系毕业,并于同年考取李政道奖学金赴美留学。1993年底在美国麻省理工学院(MIT)获得博士学位,并继续在MIT从事博士后研究,1996年回国创业。

  这也是阔别物理20多年后,张朝阳重拾物理。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律与能量动量守恒原理等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了由黑体辐射研究引出的维恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗克等系列公式。

  此后的物理课程逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程、算符对易关系等理论内容,到无限深势阱、氢原子波函数,再到谐振子量子化、气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例。内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。

  该课程于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。同时,也可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”,观看往期完整视频回放。



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