中科院物理所最有學問的井蓋,文科生看不懂!

　　本文整理自北京青年報，中科院物理所，募格學術

　　最近，中國科學院物理所的井蓋成了“景點”。

　　據物理所所長特別助理、綜合處處長魏紅祥介紹，中科院物理所為了迎接成立90周年所慶和公眾科學日的活動，特意策劃了一場園區內的井蓋涂鴉活動。除了具有藝術美感與設計感外，物理所的專家還從上千個物理學知識點中精選了24個物理公式，由上百名學生志愿者畫在井蓋上。這正是本次井蓋涂鴉活動的核心亮點所在，在國內眾多的井蓋涂鴉活動中也尚屬首次。

　　“覺得這種方式很有紀念意義。”一名參與井蓋繪制的學生稱，自己并沒有繪畫的經驗，但這次特別選了一個量子力學的重要公式來畫。這些井蓋引起眾多網友的興趣，不少人還特意來到中科院物理所圍觀這些“最有學問的井蓋”。

　　比如這個“薛定諤的貓”主題井蓋，創作者為物理所微納實驗室的博士生王超。王超說：“我有的時候路過井蓋，也會仔細想想這個井蓋上畫的是什么原理，很多都是我學過的著名定理。上午我聽老師說，招人繼續給井蓋畫畫之后，我倆就報名了。”

　　這幅畫反映的是由物理學家薛定諤提出的“薛定諤的貓”的故事，并搭配上了著名的“薛定諤方程”。王超介紹，這個思想實驗的假設場景是把貓關在箱子里，里面有一個可能衰變粒子控制的毒氣裝置，“這個實驗在量子力學領域意義非常大，也很有影響力，看到之后我就決定畫它了。”

　　劉杰英是物理所納米實驗室的一名研究生，起初在接到活動通知時，她因為忙于科研工作而錯過了報名時間，差點錯過這個難得的機會，后來她通過補交報名申請才得以參與到這項活動中來。利用周末的時間，她與幾位小伙伴共同完成了三幅井蓋涂鴉的創作，并興奮地拍下照片，發peng友圈留念。

　　在談到為何執意要參加這次活動時，劉杰英表示，一方面活動本身就很有趣、很有吸引力，更為重要的是，這種物理主題的井蓋涂鴉不再是簡單的藝術創作，而是一種飽含科學精神的寓教于樂，對科學普及與科學傳播大有裨益，她很愿意為物理所所慶和公眾科學日出一份力。

　　王超介紹，為井蓋涂鴉的活動已經持續了一段時間：“老師們給我們發了24個推薦的繪制方案，也有同學自己設計創意來繪制井蓋。我自己沒有畫畫的經驗，好在畫這個并不需要太多技巧，我學妹平時很喜歡畫畫，也一直跟我一起畫。今天下午我們畫了兩個井蓋，一共花了差不多兩個小時。”

　　許多游人在路過這些井蓋時，都會駐足圍觀、拍照，也有游人專門向路過的物理所師生詢問井蓋背后的物理學故事。游人林先生說：“我覺得這種方式非常有意思，學到了很多以前不了解的物理學故事，希望以后能有專門的導游，或者設計出一套井蓋旅游的路線，那就太好了。”

　　科學與藝術會碰撞出怎樣神奇的火花？來一起欣賞這24幅天馬行空的涂鴉作品吧~

　　01.傅里葉公式

　　傅里葉變換公式是一種積分變換——意思也就是通過積分將函數變成另一種函數，新的函數會在另一側面反映原來函數的信息。它在物理學各個領域都有廣泛的應用，最常見的在信號處理領域將時域的信號變成頻域的信號。

　　02.歐拉公式

　　或許 e^(iπ)+1=0 這種形式更出名，這是歐拉公式的特例。它刻畫了幾個數學常量e pi i之間神奇的聯系。歐拉公式有明確的幾何含義，復數可以一一對應到二維平面上，稱這個二維平面為復平面。而歐拉方程告訴我們單位圓上的復數與其幅角的關系。歐拉公式聯系了復指數和三角函數，是最基礎的復數公式。

　　03.高斯定理

　　高斯定理表現了電場的性質。如果計算一個閉合曲面上的電場通量（直觀理解電場通量就是通過曲面的電場線數目）之和，那么它恰好正比于閉曲面包裹的電荷數，其比例是介電常量。其實不止是電場，任何滿足平方反比率的有源場都滿足高斯定理。

　　04.斯涅爾定律

　　斯涅爾定理就是大家熟悉的折射定理。光經過不同介質界面時會發生折射，折射的大小與折射率有關。現實生活中的例子就是將筷子一端傾斜著插入水中，從水面上看筷子似乎斷了一樣。而荷蘭物理學家斯涅爾首先定量描述了光線入射角與折射角的關系，即他們正弦的比等于兩種介質的折射率比。這一定律就以他的名字命名為斯涅爾定律。

　　05.電弱統一模型

　　根據電弱統一模型，弱力和電磁力被認為是同一種力的兩種表現。在對稱破缺前，兩者完全不可區分，對應4個無質量的玻色子。對稱尚未破缺時，真空中布滿了希格斯場，與4種玻色子相互作用直到“自發對稱破缺”發生。上圖公式描述了電弱統一理論中“自發對稱破缺”的希格斯機制。

　　06.法拉第電磁感應定律

　　法拉第電磁感應定律也是大家熟悉的定律，磁通量的變化會誘發電場。法拉第研究磁生電的故事相信大家也在高中課本里學過。因為只有運動的磁體才能產生電場，堅信磁生電的法拉第堅持進行了近十年實驗，在1831年8月發現這一現象。

　　07.麥克斯韋方程組

　　這就是大名鼎鼎的麥克斯韋方程組。其實當初麥克斯韋總結前人經驗提出麥克斯韋方程組時，其形式遠遠沒有現在簡潔。通過后人的繼續研究，人們才提出這樣簡潔優美的麥克斯韋方程組。它由四個微分方程組成，刻畫磁場與電場的關系，理論上結合一些邊界條件可以解決任何電磁學問題。圖中表現的是電磁波，電磁波是橫波，其電場和磁場振動方向互相垂直，都垂直于電磁波傳播方向。

　　08.伯努利方程

　　伯努利在1726年提出的流體力學原理，基本內容是壓力勢能+動能+重力勢能=常量。其本質是機械能守恒。咱們生活中最常遇見的結論就是速度越快壓力越小。圖中就一個簡單實驗，一張普通a4紙，抓住一邊，向另一邊用力吹氣，紙另一邊就會飄起來。

　　09.費米狄拉克統計

　　對很多個費米子組成的體系，其需要和經典統計不同的統計方法，這就是1926年提出的費米狄拉克統計。由于電子是典型的費米子，費米狄拉克統計在固體物理里面是非常重要和基本的。圖中公式就用于固體物理中計算自由電子氣的費米能。

　　10.泡利不相容原理

　　在費米子組成的體系中，不存在所有量子數都相同的費米子。費米子指自旋為半整數的粒子，比如自旋1/2的電子。典型運用泡利不相容原理的體系就是我們的多電子原子，它的電子排布遵循泡利不相容原理，在一個多電子原子里，你永遠找不到軌道自旋都相同的電子。

　　11.勞厄方程

　　德國科學家勞厄1912提出的著名的勞厄方程，刻畫了光被晶格衍射的情況。得益于這個方程，X射線衍射成為測量晶體結構的重要手段之一。

　　12.狄拉克方程

　　薛定諤方程刻畫了經典情況下的量子力學，那么再向公式里加入一點相對論會怎么樣？答案就是1928年狄拉克提出的狄拉克方程。狄拉克方程具有相對論的協變性，換言之，其在洛倫茲變換下不變，它能很好的刻畫高速自由電子的行為。

　　13.德布羅意波

　　1924年德布羅意在他的博士論文中提出，任何物質都具有波動性。其波長由上圖中的公式計算。后來他的預言電子衍射實驗所被證實，他也因此獲得了1929年諾貝爾物理學獎。

　　14.薛定諤的貓

　　1926年奧地利物理學家薛定諤給出了著名的薛定諤方程，它是量子力學最基本的方程之一，同時還有著名的薛定諤的貓思想實驗。如果把貓關在箱子里，里面有一個隨時可能衰變的粒子控制的毒氣裝置，粒子衰變時候會觸發毒氣裝置殺死貓。由于沒觀測粒子之前，粒子處于疊加態上，那么貓是不是也處于又死又活的狀態上？

　　15.不確定關系

　　不確定關系式量子力學里非常有名的關系，1927年由海森堡提出，即一組互相不對易的力學量無法同時準確得到。對于粒子動量和位置而言，就是指無法同時測量得到粒子的位置和粒子的動量。注意不確定關系是系統的內秉性質，與觀察者無關，所以稱之為測不準原理是不正確的。

　　16.郎之萬方程

　　郎之萬方程刻畫的是粒子布朗運動的一般情景。該方程由居里夫婦的得意門生郎之萬于1908年提出，布朗運動是指小物體（比如花粉）在流體中不停頓的無規則運動。

　　17.洛倫茲公式

　　荷蘭物理學家洛倫茲在1895年提出磁場對運動電荷有力的作用，后來被實驗證實。為了紀念他，將運動電荷在磁場中受到的力稱為洛倫茲力。這個公式也是高考要考的。

　　18.玻爾半徑

　　玻爾在解決氫原子光譜問題時候構建了一種非常粗略的量子化原子模型，其中基態的氫原子的電子距離原子核的半徑為著名的玻爾半徑，大約0.053nm。

　　19.熱機效率

　　熱機是指利用內能做功的裝置，我們的蒸汽機，燃氣輪機，內燃機都是熱機。早在1824年，法國人薩迪·卡諾就抽象地提出卡諾循環的概率，卡諾循環工作在兩個熱源下，將高溫熱源的熱量帶到低溫熱源，過程中將部分熱量變成功。其理想效率等于1減去兩個熱源熱力學溫度的比。

　　20.波爾茲曼公式

　　玻爾茲曼公式1877由奧地利物理學家玻爾茲曼提出，它刻畫了一個描繪混亂程度的物理量熵與系統微觀狀態數的對數成正比，其比例為玻爾茲曼常數。而熵是系統重要的狀態量之一。這個公式也被刻在了玻爾茲曼的墓碑之上。

　　21.光子能量

　　光的能量是一份一份的。愛因斯坦在1905年提出光量子的概念，認為光的能量是一份一份的，成功解釋了光電效應。他也因此獲得了1921年諾貝爾獎。

　　22.浮力公式

　　浮力定律是初中就學過的經典定律，物體在水中受到的浮力等于其排開水的重力。相傳是阿基米德在洗澡時候發現的。

　　23.萬有引力定律

　　傳說中，牛頓被蘋果樹砸中后得到萬有引力定律。實際上，這是牛頓花費近二十年研究開普勒行星運動三定律后得出的結果。1687年，他首次在《自然哲學的數學原理》發表。

　　24.質能關系

　　同樣是1905，同樣是愛因斯坦，又一個偉大的公式。這或許是他最被人津津樂道的看上去最簡單公式——質能方程。物質的能量等于其質量乘以光速的平方，舉個例子，1g物質內涵的能量釋放出來相當于2萬噸TNT爆炸釋放的能量。

　　這些井蓋，你都看懂了嗎？