《張朝陽的物理課》開講“經典力學的第一次窘境”

        光明網 2021-11-28 23:09:15

        當實驗和理論計算出來的數據不一樣,是否意味著物理學錯了?經典力學原來不是萬能的?11月28日12時,搜狐創始人、董事局主席兼CEO張朝陽坐鎮搜狐視頻直播間,通過對雙原子氣體的理想氣體方程、KT與氣壓和內能關系的演算,帶領網友重溫經典力學的第一次窘境,科普了“兩朵烏云”,由此引入20世紀相對論和量子力學的概念。

        結合第六期“溫度的故事”,張朝陽簡單復習了從理論和實驗推算出來的理想氣體狀態方程。他指出,我們經常遇到的不是氦氣這類最接近理想氣體的單原子氣體,那么雙原子氣體,比如氧氣、氫氣、氮氣,是否也適用理想氣體狀態方程?

        張朝陽賣個關子,“實驗證明是對的,但理論上怎么解釋呢?”他說,“今天主要研究一下雙原子氣體的情況,就微觀的情況來解釋?!庇嬎闵婕暗阶杂啥取⑵絼觿幽?、轉動動能、振動動能、勢能等概念,并使用波動方程、理想氣體狀態方程pV=nRT、比熱容比γ=Cp/Cv,得出γ的值為1.4。

        張朝陽借助能量均分定理做推導。在經典統計力學中,能量均分定理是一種聯系系統溫度及其平均能量的基本公式。為了方便網友理解,張朝陽將此比喻成蓄水池、口袋和遺產分配。

        然而問題出現了,根據能量均分定律,計入雙原子氣體的平動動能、轉動動能、振動動能和勢能后,計算結果為1.286,并不等于1.4。張朝陽又試圖去掉勢能,結果是1.3,依然小于1.4?!斑@是經典力學的第一次災難?!睆埑柦榻B,1900年新春之際,物理學家開爾文在演講中提到,19世紀已將物理學大廈全部建成,但物理學的天空上,還飄浮著兩朵小小的,令人不安的烏云。一朵為以太漂移實驗的否定結果,另一朵為黑體輻射的紫外災難,包括氣體比熱中能量均分定律的失敗。

        張朝陽表示,在那個年代,經典力學堪稱解釋一切。正是遭遇到這樣的挑戰,才觸發了相對論的發現和量子力學的發展。張朝陽在去掉勢能的基礎上,繼續減去振動動能,只保留平動動能和轉動動能,終于得出γ等于1.4的結論。隨后,他用量子力學的能級概念,驗證了計算過程?!斑@是當時開爾文解決不了的,等20世紀量子力學出來才解決。”

        自11月5日開始,《張朝陽的物理課》已直播七期。據了解,在未來課程中,張朝陽還會解答宇宙大爆炸和光子輻射。(科文)

        關鍵詞: 物理

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