中科院曹则贤抖音直播科普物质的形态

“学物理,从理解物质开始。”在中科院打造的《科学公开课》抖音系列直播中,中国科学院曹则贤为大家分享了物理的第一课——物质的形态。曹则贤是中国科学院物理研究所研究员,主要从事物理学方面的研究。

在2月10日和2月12日两晚的抖音直播中,曹则贤从宇宙历史最原初的形态开始,观察世界从高温变为低温的过程中产生的不同物质形态,让大家明白世界是一个实在的物质世界,而物理学是关于物质世界的构成和运行机理的科学。两场直播,累计吸引了超过35万人在线观看。

曹则贤表示,从物质的角度来说,在一个特定的场景中,常常可以观察到多种物质形态。比如在喷发的火山口可以见到物质处于等离子体态、气态、液态(熔岩)和固态(岩石);如果火山是在海底,还可能见到处于超临界态的水。他介绍道,宇宙起源于一次大爆炸,奇点爆炸三分钟后出现质子和中子,高能状态下产生了最轻的元素——氢,然后才开始复杂的物质世界。

温度如果再低一点,就来到了等离子体状态,即原子核失去电子的状态。在广袤的宇宙当中,物质主要是以这种状态存在的,天上的闪电、街上的霓虹灯都与等离子体有关。曹则贤介绍,带电体尖端放电、高压击穿空气、高能量束击中物体等方式都会使得中性物质里的电子脱离出来,从而产生等离子体。

等离子对于物理研究和现实应用的作用很大,它可用于太阳能电池加工制造、激光武器升级,甚至医疗中的杀菌消菌等。德国科学家伦琴通过实验研究等离子体发现阴极射线和X射线获首届诺贝尔物理学奖,给含稀薄气体的玻璃管通电后放上玻璃棱镜研究氢气发出的光,从中找出规律,开启了量子力学的新时代。

超临界态是一种奇妙的物质状态。它既具有气态物质能充满整个空间的特性,又可以像液态物质一样能溶解其他物质,而且具有很强的溶解能力。气态是我们生活中最常见的物质状态之一。曹则贤利用马德堡半球实验告诉大家,挥动手掌感受不到空气,但实际上空气“力气”很大,如何将气体收集起来压缩在瓶罐中是考验每个国家科技水平的难题。

谈到气体的作用,曹则贤介绍:一方面,气体的体积变化容易观测到,对热力学及物质科学做出了极大贡献;另一方面,我们研究气体的性质,可利用风洞研究飞机、高铁等物体在气体里运动、飞行的性质,所以应用意义巨大。

气体加压冷却后又变成液体,使得原子或分子的活动范围等于分子之间的平均间距。在直播中,曹则贤介绍,有的液体体积、温度变化适中、可以观察,用作温度计;液滴在固体面的形状取决于液体与固体之间的界面能和液体的表面能之间的大小;不同温度的水分子团簇结构不同,味道也不同。同时,液体的流动是复杂的行为,能产生令人惊异的花样,如卡门涡街、水滴落下的形状、吹出的泡泡等。人们从“泡泡”中获得启发,可制作出泡沫物质以便隔热、防撞、用金属制作泡沫减少翻车事故。

比液体更冷一点、强度更大一点的是固体。固体有刚性,有较固定的微观结构和外观,原子位移很小。直播中,曹则贤形象地区分了固体中的晶体与非晶体,“若原子、分子排得特别整齐,像阅兵时的解放军战士,叫晶体;若像群众游行,看起来有序,实则无序,就叫非晶体。”甚至同一种物质,原子排列顺序不一,看到的物质也不一,如石墨和金刚石都是碳原子构成的,但作用却千差万别。

除了固体以外,固体、液体、气体还有各种不同状态混合的复杂体系。直播最后,曹则贤还分享了物质科学的一些新奇进展:比如,现在出现了要用量子力学理论研究的量子物质,如金属氢和液氦;正电子、负质子等反物质与正物质相遇会发生爆炸并产生巨大能量等。然而,各种物质在研究的过程中都有光,“光是不是物质”这一命题目前暂无定论。

“同学们,要想学好物理,有一个最基本的窍门,就是从理解物质开始。家里的面团、油、盐、米、醋、桌子、凳子、椅子这些东西都是实实在在的物质,当你能够对这些物质有确切的了解,能够讲清楚其中的道理的话,你的物理水平就差不多了。”曹则贤告诉大家,在以后的研究中都要保持一只眼睛盯在物质上,这样理论不会过于荒唐。

据了解,“物理第一课——物质的形态”是中科院《科学公开课》系列直播中的一期。在下期节目里,中国科学院空间应用工程与技术中心研究员张伟将为大家讲述,如何在空间站里开展有趣的太空科学实验,以及这些研究都取得了什么样的成果。

该节目于1月25日起,每周二、四、六晚8点在抖音直播,其精彩内容还将以频道合集形式纳入抖音青少年模式,激发更多青少年学习兴趣。据了解,在寒假期间,抖音还发起"寒假充电计划",该活动聚合了故宫知识课堂、中科院《科学公开课》、北大等名校公开课、知识合集等宝藏内容。用户在抖音搜索"寒假充电"即可看到活动页面,浏览和收藏感兴趣的知识内容,预约直播。