時(shí)間和空間不是各自獨(dú)立的嗎？怎么攪和到一塊兒了？世界上最著名的方程E=mc2是怎么來(lái)的？3月11日，《張朝陽(yáng)的物理課》線(xiàn)下“新春第一課”首次開(kāi)講，搜狐創(chuàng)始人、董事局主席兼CEO張朝陽(yáng)與來(lái)自北京各高校的物理學(xué)子及物理愛(ài)好者們一起探討物理的奧秘。

課堂上，他從光速不變理論出發(fā)，通過(guò)各種思想實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出時(shí)間膨脹、長(zhǎng)度收縮、質(zhì)速關(guān)系等違反直覺(jué)的相對(duì)論效應(yīng)，利用質(zhì)速關(guān)系與能量的定義進(jìn)一步推導(dǎo)質(zhì)能關(guān)系,并講解了質(zhì)能關(guān)系的意義與應(yīng)用。之后又與現(xiàn)場(chǎng)同學(xué)討論了此前直播課的相關(guān)問(wèn)題，如薛定諤如何猜出薛定諤方程，如何用不確定性原理估算氫原子半徑等。此外，人大附中物理教師、科普視頻創(chuàng)作者李永樂(lè)也作為嘉賓現(xiàn)身課堂，與大家進(jìn)行了互動(dòng)交流。

第一堂線(xiàn)下物理課討論“相對(duì)論”   直播風(fēng)格獨(dú)特強(qiáng)調(diào)“硬核推導(dǎo)”

“這個(gè)活動(dòng)是非常獨(dú)特的?！睆埑?yáng)在開(kāi)場(chǎng)說(shuō)道，“物理課我在線(xiàn)上已經(jīng)完成三十講了，覆蓋了很多話(huà)題，今天別開(kāi)生面，第一次走到線(xiàn)下?！?/p>

線(xiàn)下“新春第一課”，張朝陽(yáng)重點(diǎn)講解了狹義相對(duì)論中最著名的方程E=mc2，并結(jié)合案例加以解釋。這個(gè)小小的公式蘊(yùn)藏了巨大的能量，可以把一丁點(diǎn)兒的質(zhì)量放大成巨大的能量，甚至原子彈、氫彈、太陽(yáng)的能量都與此有關(guān)。張朝陽(yáng)表示，“所以這個(gè)公式非常重要，與每個(gè)人的生活息息相關(guān)?！?/p>

“我的課比較強(qiáng)調(diào)硬核推導(dǎo)?！睆埑?yáng)介紹，要理解狹義相對(duì)論，必須先了解光速的特殊性。他先從麥克斯韋方程組導(dǎo)出的電磁波方程入手，指出光速與參考系無(wú)關(guān)這一反直覺(jué)的論述。他從光速不變出發(fā)，推導(dǎo)出時(shí)間膨脹效應(yīng)，即運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘相對(duì)于靜止的時(shí)鐘流逝較慢，說(shuō)明此時(shí)時(shí)間與空間不再獨(dú)立。

張朝陽(yáng)解釋?zhuān)枋鰰r(shí)間與空間的關(guān)系的方程就是洛倫茲變換，洛倫茲變換能把一個(gè)慣性參考系的坐標(biāo)變換到另一個(gè)與之相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的慣性參考系下。他在黑板上通過(guò)洛倫茲變換公式，結(jié)合“同時(shí)性的相對(duì)性”的概念推導(dǎo)出了“動(dòng)尺縮短”公式，即運(yùn)動(dòng)的尺子在靜止參考系下看，會(huì)比在尺子的固有參考系下短。

洛倫茲變換只是坐標(biāo)的變換。張朝陽(yáng)通過(guò)洛倫茲變換進(jìn)一步導(dǎo)出了速度的變換公式，這與傳統(tǒng)牛頓力學(xué)中簡(jiǎn)單的速度矢量的直接疊加有很大的不同。有了速度變換公式，他開(kāi)始推導(dǎo)不同參考系下兩個(gè)質(zhì)量相同的小球的碰撞過(guò)程，結(jié)合動(dòng)量守恒定律，并類(lèi)比牛頓力學(xué)中動(dòng)量的定義，計(jì)算出了“動(dòng)質(zhì)量”與速度的關(guān)系。

隨后將力對(duì)位移進(jìn)行積分，得出愛(ài)因斯坦最著名的質(zhì)能方程E=mc2，它描述能量與質(zhì)量的關(guān)系。張朝陽(yáng)又以鈾235的裂變過(guò)程為例，說(shuō)明質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化成能量，而其能量可以用愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程計(jì)算出來(lái)。

與同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)話(huà)討論薛定諤方程，用量子力學(xué)公式推導(dǎo)氫原子半徑

在其后的互動(dòng)環(huán)節(jié)中，張朝陽(yáng)還與同學(xué)們探討了各種物理問(wèn)題。包括薛定諤是如何猜測(cè)出薛定諤方程的？張朝陽(yáng)對(duì)此進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)推導(dǎo)：愛(ài)因斯坦假設(shè)光子存在，并且提出了光的波粒二象性；德布羅意進(jìn)一步假設(shè)所有物質(zhì)都具有波粒二象性，且對(duì)于物質(zhì)粒子，可以仿照電磁波的形式描寫(xiě)物質(zhì)波；之后，波對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可以得到能量相關(guān)的項(xiàng)，波對(duì)空間求導(dǎo)可以得到動(dòng)量相關(guān)的項(xiàng)目；最后，將哈密頓量中的能量與動(dòng)量換成相應(yīng)的算符，并把研究對(duì)象用波函數(shù)形式表達(dá)，即可猜出薛定諤方程。

此外，對(duì)于“如何用不確定性原理估算出氫原子半徑？”的問(wèn)題，張朝陽(yáng)解釋?zhuān)瑥慕?jīng)典電動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看，電子繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)向外輻射電磁波，能量降低，且迅速塌縮到原子核里，那么氫原子就不能穩(wěn)定存在了。但在量子力學(xué)中，定性地講，動(dòng)量與位置滿(mǎn)足不確定性關(guān)系，電子往原子核塌縮時(shí)，其位置不確定度越小，動(dòng)量不確定度就越大，從而讓電子有遠(yuǎn)離原子核的趨勢(shì)，抵消了電子往原子核塌縮的趨勢(shì)。

張朝陽(yáng)不僅做了定性的說(shuō)明，還做了定量的計(jì)算。他現(xiàn)場(chǎng)推導(dǎo)利用不確定性原理將動(dòng)量表示成位置的不確定度并代入到哈密頓量中，計(jì)算出能量取最小值時(shí)的位置不確定度。這正是玻爾半徑，也就是氫原子處于基態(tài)時(shí)電子的“軌道半徑”，電子并不會(huì)塌縮到原子核內(nèi)。張朝陽(yáng)驚嘆這種簡(jiǎn)單估算得到的結(jié)果竟然與嚴(yán)格求解薛定諤方程的結(jié)果相一致。這正體現(xiàn)了不確定性原理的簡(jiǎn)潔、深刻、有效。

“網(wǎng)紅”物理老師李永樂(lè)現(xiàn)場(chǎng)助陣，講述愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)廣義相對(duì)論過(guò)程

人大附中物理教師、科普視頻創(chuàng)作者李永樂(lè)也來(lái)到了“新春第一課”的現(xiàn)場(chǎng)，作為特邀嘉賓，與張朝陽(yáng)一起和同學(xué)們進(jìn)行互動(dòng)交流。

對(duì)于同學(xué)們都很關(guān)心的愛(ài)因斯坦與相對(duì)論的問(wèn)題，李永樂(lè)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充解釋?zhuān)M義相對(duì)論最大的局限是不能處理引力問(wèn)題。愛(ài)因斯坦提出等效原理，認(rèn)為引力場(chǎng)與以適當(dāng)加速度運(yùn)動(dòng)的參考系是等價(jià)的，這擴(kuò)充了慣性系的概念，跟隨引力自由落體的參考系其實(shí)可以看成一個(gè)局部的慣性系。這暗示了引力其實(shí)是時(shí)空的一個(gè)屬性，而不只是一種單純的力，因此愛(ài)因斯坦進(jìn)一步將引力幾何化，得到了廣義相對(duì)論。

此外，他還聊到了愛(ài)因斯坦的奇聞?shì)W事，講述了他提出狹義相對(duì)論乃至廣義相對(duì)論的歷史過(guò)程，以及在這個(gè)過(guò)程中，他受到朋友們的幫助和啟發(fā)的故事。

還有同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)提到在剛結(jié)束的冬奧會(huì)上，聯(lián)通5G直播背后的物理學(xué)原理問(wèn)題。李永樂(lè)以精簡(jiǎn)且有趣的語(yǔ)言闡述了聯(lián)通5G大速率、低延時(shí)、覆蓋廣等優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了大國(guó)實(shí)力下科技為生活增添美好的硬核實(shí)力。此外，他還聊到了愛(ài)因斯坦的奇聞?shì)W事，講了他提出狹義相對(duì)論乃至廣義相對(duì)論的過(guò)程，以及在這個(gè)過(guò)程中他受到朋友的幫助與啟發(fā)的故事。課堂最后，張朝陽(yáng)與李永樂(lè)用三星Galaxy S22手機(jī)和到場(chǎng)的全體同學(xué)一起合影留念。

持續(xù)打造知識(shí)直播平臺(tái)，搜狐視頻吸引諸多科普播主入駐

截至目前，《張朝陽(yáng)的物理課》已直播三十多期。張朝陽(yáng)1986年從清華大學(xué)物理系畢業(yè)，并于同年考取李政道獎(jiǎng)學(xué)金赴美留學(xué)。1993年底在美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）獲得博士學(xué)位，并繼續(xù)在MIT從事博士后研究，1996年回國(guó)創(chuàng)業(yè)。

這也是闊別物理20多年后，張朝陽(yáng)重拾物理。從去年11月開(kāi)啟第一節(jié)物理直播課，他先是從經(jīng)典物理學(xué)開(kāi)始，科普了牛頓運(yùn)動(dòng)定律與能量動(dòng)量守恒原理等；而后從經(jīng)典物理的“兩朵烏云”說(shuō)起，向近現(xiàn)代物理過(guò)渡，探討了由黑體輻射研究引出的維恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗克等系列公式。

此后的物理課程逐步進(jìn)入量子力學(xué)領(lǐng)域，從基礎(chǔ)的薛定諤方程、算符對(duì)易關(guān)系等理論內(nèi)容，到無(wú)限深勢(shì)阱、氫原子波函數(shù)，再到諧振子量子化、氣體定容比熱的溫度階梯等更加具體實(shí)用的案例。內(nèi)容豐富、覆蓋廣泛，理論公式由淺入深、繁簡(jiǎn)交融。

從之前的物理直播課可以看出，《張朝陽(yáng)的物理課》的直播風(fēng)格獨(dú)樹(shù)一幟：注重推導(dǎo)，通過(guò)一步一步詳盡的數(shù)學(xué)計(jì)算，推導(dǎo)出相關(guān)的物理公式，把每個(gè)公式從頭到尾拆解得十分清晰。正如張朝陽(yáng)所說(shuō)，“在好奇心的驅(qū)使下，了解自然界的奧秘、了解我們?cè)谶@個(gè)世界生存的道理”。而了解道理最好的方法就是明白道理是怎么得來(lái)的，這也是《張朝陽(yáng)的物理課》始終堅(jiān)持用扎實(shí)的公式推導(dǎo)來(lái)講授物理課程的原因。