《张朝阳的物理课》开讲“经典力学的第一次窘境”

2021.11.29

钛媒体11月29日消息,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,通过对双原子气体的理想气体方程、KT与气压和内能关系的演算,带领网友重温经典力学的第一次窘境,科普了“两朵乌云”,由此引入20世纪相对论和量子力学的概念。

结合第六期“温度的故事”,张朝阳简单复习了从理论和实验推算出来的理想气体状态方程。他指出,我们经常遇到的不是氦气这类最接近理想气体的单原子气体,那么双原子气体,比如氧气、氢气、氮气,是否也适用理想气体状态方程?

张朝阳卖个关子,“实验证明是对的,但理论上怎么解释呢?”他说,“今天主要研究一下双原子气体的情况,就微观的情况来解释。”计算涉及到自由度、平动动能、转动动能、振动动能、势能等概念,并使用波动方程、理想气体状态方程pV=nRT、比热容比γ=Cp/Cv,得出γ的值为1.4。
 
张朝阳借助能量均分定理做推导。在经典统计力学中,能量均分定理是一种联系系统温度及其平均能量的基本公式。为了方便网友理解,张朝阳将此比喻成蓄水池、口袋和遗产分配。
 
然而问题出现了。根据能量均分定律,计入双原子气体的平动动能、转动动能、振动动能和势能后,计算结果为1.286,并不等于1.4。张朝阳又试图去掉势能,结果是1.3,依然小于1.4。“这是经典力学的第一次灾难。”张朝阳介绍,1900年新春之际,物理学家开尔文在演讲中提到,19世纪已将物理学大厦全部建成,但物理学的天空上,还飘浮着两朵小小的,令人不安的乌云。一朵为以太漂移实验的否定结果,另一朵为黑体辐射的紫外灾难,包括气体比热中能量均分定律的失败。

张朝阳指出,在那个年代,经典力学堪称解释一切。正是遭遇到这样的挑战,才触发了相对论的发现和量子力学的发展。张朝阳在去掉势能的基础上,继续减去振动动能,只保留平动动能和转动动能,终于得出γ等于1.4的结论。随后,他用量子力学的能级概念,验证了计算过程。“这是当时开尔文解决不了的,等20世纪量子力学出来才解决。”

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