从宇宙到原子

2017年10月的某天，国内外天文圈不约而同地卖起了关子，纷纷声称有大事宣布，却又个个神秘兮兮、守口如瓶。网友纷纷猜测，难道是发现外星人了？

10月16日，谜底揭晓，这件大事并不是外星人来袭，而是天文学家首次探测到来自双中子星并合的新型引力波及其伴随的电磁信号。因为此次引力波事件具有极其重要的意义，天文学家使用大量地面和空间望远镜进行观测，形成了一场天文学历史上极为罕见的全球规模的联合观测。

这次“天文学界的狂欢”让网友不禁感叹：“原来科学家也喜欢‘搞事情！”其实，科学研究并非像人们通常认为的那样单调乏味，很多时候它都充满了乐趣。本期，小编就带领大家走进充满趣味的物理世界！

作为最精密的自然科学学科，物理学是其他自然科学学科的研究基础。大至宇宙，小至基本粒子等一切物质最基本的运动形式和规律都是它的研究对象。按照研究内容的不同，物理学又分为牛顿力学、电磁学、热力学、天体物理学等类别。

日常生活中很多事情都与物理学息息相关。你能说出以下新闻热点中都包含了哪些物理学知识吗？

事件一：2017年10月10日，“中国天眼”FAST的成果“首秀”又一次让中国科学界站在了全世界面前。在北京国家天文台的办公大楼里，由FAST捕获的首批脉冲星信号第一次向外界展示。在场的所有人都竖起耳朵，仔细聆听这两个分别来自1.6万光年外和4 100光年外的脉冲信号。

就是这两个声音让中国实现了一个“零的突破”：我国自主设计制造的天文设备第一次发现脉冲星。而在此之前的50年里，人类已经观测到2 700多颗各种类型的脉冲星。

脉冲星是死亡恒星的一种，属于高速自转的中子星，因发射周期性脉冲信号而得名。这种脉冲信号好比转动的灯塔发出忽明忽暗的光，以至于脉冲星最初被发现时，一度被误认为是外星人寻找“宇宙知音”的信号。

在這一成果引起瞩目的背后，不得不提及FAST项目发起人、项目的最主要缔造者南仁东先生。就在成果发布的25天前，南仁东先生离开人世，享年72岁。FAST的这次“首秀”，或许是对南仁东先生的最好告慰。

事件二：2017年10月12日上午，在南京鼓楼区宝塔桥附近的马路边，一台挖掘机正在一栋5层楼房的楼顶作业，引得路人纷纷围观。这个庞然大物是如何开到5层楼楼顶上的？它在上面作业安全吗？

原来，挖掘机是被塔吊机从地面吊到楼顶上的。为方便挖掘机作业时不致压塌楼顶，施工人员在挖掘机下方垫上了钢板，这样就能增大挖掘机履带跟楼板的受力面积，使施工操作更加安全。

事件三：苹果手机iPhone 8 Plus一经推出便状况连连，其中最受人诟病的便是手机易“爆炸”的问题。手机为什么会“爆炸”？

所谓手机“爆炸”其实指的是电池因膨胀而顶破手机外壳的现象。电池膨胀是由于电池电解液和水发生反应，产生大量氢气、二氧化碳及烷类化合物挤压电池外壳而形成。导致电池膨胀的原因主要有三种：充电时间过长、电池老化以及不合理的电池设计。

事件四：2017年的中秋之夜，一位“天外来客”造访地球——在云南省迪庆藏族自治州的上空发生了一次火流星事件。

火流星是亮度非常高的一类流星。按照国际天文联合会的定义，如果流星在越过观测者正上方（天顶）时，视星等（指观测者用肉眼所看到的星体亮度）比“-3等”更明亮，则可被称为火流星。这样的亮度大约与火星、木星最亮时差不多。

火流星的直径一般在1米左右，它们可能来自于小行星、彗星的碎片，也可能来自于星际空间的尘埃。进入地球大气的火流星除了在与大气摩擦的过程中不断被减速、加热外，还会因其速度超过音速而压缩它前面的空气，形成激波，激波也会对其产生加热作用。随着加热过程的进行，火流星会逐渐熔化，运动方向前后的压强差还会对其产生挤压作用。当挤压作用超过星体本身的抗拉强度时，火流星便会爆炸、碎裂，对地球造成威胁。

这次发生在云南的火流星事件由于释放的能量较少，因此没有造成实际的破坏。

事件五：一杯开水倒进杯子里摇晃1分钟，就能变成最适合人体饮用的55℃的温水——曾经一款被称为“喝水神器”的55度杯在网店热销。55度杯采用了什么材料能达到这样的效果？对此，物理学家解释，无论采用哪种材料，都不外乎两种原理。

一是利用固态、液态之间的转化。如果55度杯杯体夹层里使用的物质是某种相变化材料，如熔点为58℃的某种盐，这意味着当温度高于58℃时，这种物质是液态；低于58℃时则是固体。室温条件下，夹层里的物质是固态，而往杯子倒开水，物质吸热，高于58℃后，就熔化成液态。在这个过程中，液态物质吸收大量热量，使得杯中水的温度下降。

而把热水倒掉时，夹层内的物质仍是液体。这时加入低于58℃的水，物质就会把热量传给水，同时结晶变成固态，这一过程中释放热量，杯里的水就升温了。

二是利用液体传热、储热的原理。如果55度杯内装的物质无论加热还是冷却后都是液态，则根本不存在相变化，而是更加基础的原理——单纯的液体传热、储热同样也可以实现降温和升温。

任何一门学科都不是孤立存在的，物理学与哪些学科关系最亲密？

最初，物理学与自然科学联系紧密。Physics（物理学）最早的意思就是关于自然的学问。后来人们根据亚里士多德的研究又创造了 Metaphysics（后物理学）一词。

这个词在西方慢慢代表一门学问，在中国被翻译成“形而上学”。后来，形而上学被德国哲学家康德转化成了一门接近自然科学的学问，就是今天的Philosophy（哲学）。当我们谈论哲学和哲学家时，应该认识到康德首先是一位物理教授。

物理学还有另外一个“表兄弟”，它就是数学Mathematics。Mathematics的含义并非仅指汉语翻译的数学，因为它不仅研究数，也研究形和逻辑，本意是“聪明人干的事情”。endprint

数学是物理学家的语言，也是物理学家赖以思考的工具。物理的表述、思考都离不开数学。

关于数学和物理学的关系，有一个重要的例子。大物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦天生就有非常强的数学思维能力。他小时候学习画蛋时就想，如果能写出鸡蛋的图形方程，是不是就能画好了？于是他先从和鸡蛋长得差不多的椭圆开始。

椭圆的方程是两点的距离之和等于常数，而鸡蛋与椭圆的不同之处仅仅是鸡蛋一头大一头小。只要给到两点的距离加上不同的因子，再乘以某个因子使其等于常数，就能画出鸡蛋了——这是麦克斯韦13岁时想出的办法。

此外，物理学家还应该是语言学家。因为物理学家的任务是理解这个世界并将自己的理解传达给他人，而语言是表达自我最有力 的工具。

英国物理学家托马斯·杨发现了水波或光波通过两个狭缝时，在后面的屏上得到差不多等间距的明暗相间条纹的现象，即波的双缝干涉现象，他同时还是《大英百科全书》中该条目的撰写人。为更好地传播自己的思想，他撰写该条目时使用了多种语言。

魔術表演最能激起人们的好奇心，在大大小小的魔术表演中，许多都运用了物理学的知识。

1.鸡蛋透视

魔术师拿出一支蜡烛，用打火机点燃，接着将清水倒入小碗备用。然后，魔术师拿出一枚鸡蛋在烛火上方熏烤，鸡蛋逐渐变黑。将“黑蛋”轻轻放入水碗，奇妙的现象出现了：黑蛋的周围立刻变得透明，仿佛一颗硕大的黑水晶浸泡在水中。

魔术揭秘：由于燃烧不充分，鸡蛋的表面出现了碳层，形成非亲水界面的空气层，空气层在水中反射光线导致出现“透明”的光影。

2.胶囊空翻

魔术师拿出一枚胶囊放在左手心，并对胶囊说：“起来！”胶囊竟然应声而起。魔术师左手稍倾斜，继续说：“来个空翻！”只见胶囊翻着跟头滚落到桌面上。

魔术揭秘：这个魔术的秘密在于重心的转移。魔术师事先准备一枚胶囊和一颗小钢珠，将胶囊打开，把里面的药粉倒出来，再将小钢珠放入胶囊。当竖着放胶囊时，钢珠在胶囊的下端，胶囊的重心几乎全部集中在钢珠上。在重力作用下，胶囊向下倒，这时里面的钢珠向下滚，重心向下转移，使胶囊竖起，接着倒下，如此反复。观众看不见里面的钢珠，就认为胶囊在“翻跟斗”。

3.年年有余

魔术师向观众展示一个玻璃缸，玻璃缸里只有清水，并被一块丝巾盖住。接着，魔术师在空中抓一下，似乎把什么东西放入玻璃缸。再拿开丝巾，玻璃缸里竟然出现了几条美丽的小金鱼。

魔术揭秘：在表演之前，魔术师将一块尺寸合适的平面镜放入装有清水的玻璃缸，然后将小金鱼放入镜子后面的水中，由于光的反射原理，观众看到玻璃缸里只有清水。表演完成后，魔术师拿走丝巾的同时也拿走镜片，小金鱼就出现在玻璃缸中了。endprint