中科院物理所最有学问的井盖,文科生看不懂!

　　本文整理自北京青年报，中科院物理所，募格学术

　　最近，中国科学院物理所的井盖成了“景点”。

　　据物理所所长特别助理、综合处处长魏红祥介绍，中科院物理所为了迎接成立90周年所庆和公众科学日的活动，特意策划了一场园区内的井盖涂鸦活动。除了具有艺术美感与设计感外，物理所的专家还从上千个物理学知识点中精选了24个物理公式，由上百名学生志愿者画在井盖上。这正是本次井盖涂鸦活动的核心亮点所在，在国内众多的井盖涂鸦活动中也尚属首次。

　　“觉得这种方式很有纪念意义。”一名参与井盖绘制的学生称，自己并没有绘画的经验，但这次特别选了一个量子力学的重要公式来画。这些井盖引起众多网友的兴趣，不少人还特意来到中科院物理所围观这些“最有学问的井盖”。

　　比如这个“薛定谔的猫”主题井盖，创作者为物理所微纳实验室的博士生王超。王超说：“我有的时候路过井盖，也会仔细想想这个井盖上画的是什么原理，很多都是我学过的著名定理。上午我听老师说，招人继续给井盖画画之后，我俩就报名了。”

　　这幅画反映的是由物理学家薛定谔提出的“薛定谔的猫”的故事，并搭配上了著名的“薛定谔方程”。王超介绍，这个思想实验的假设场景是把猫关在箱子里，里面有一个可能衰变粒子控制的毒气装置，“这个实验在量子力学领域意义非常大，也很有影响力，看到之后我就决定画它了。”

　　刘杰英是物理所纳米实验室的一名研究生，起初在接到活动通知时，她因为忙于科研工作而错过了报名时间，差点错过这个难得的机会，后来她通过补交报名申请才得以参与到这项活动中来。利用周末的时间，她与几位小伙伴共同完成了三幅井盖涂鸦的创作，并兴奋地拍下照片，发peng友圈留念。

　　在谈到为何执意要参加这次活动时，刘杰英表示，一方面活动本身就很有趣、很有吸引力，更为重要的是，这种物理主题的井盖涂鸦不再是简单的艺术创作，而是一种饱含科学精神的寓教于乐，对科学普及与科学传播大有裨益，她很愿意为物理所所庆和公众科学日出一份力。

　　王超介绍，为井盖涂鸦的活动已经持续了一段时间：“老师们给我们发了24个推荐的绘制方案，也有同学自己设计创意来绘制井盖。我自己没有画画的经验，好在画这个并不需要太多技巧，我学妹平时很喜欢画画，也一直跟我一起画。今天下午我们画了两个井盖，一共花了差不多两个小时。”

　　许多游人在路过这些井盖时，都会驻足围观、拍照，也有游人专门向路过的物理所师生询问井盖背后的物理学故事。游人林先生说：“我觉得这种方式非常有意思，学到了很多以前不了解的物理学故事，希望以后能有专门的导游，或者设计出一套井盖旅游的路线，那就太好了。”

　　科学与艺术会碰撞出怎样神奇的火花？来一起欣赏这24幅天马行空的涂鸦作品吧~

　　01.傅里叶公式

　　傅里叶变换公式是一种积分变换——意思也就是通过积分将函数变成另一种函数，新的函数会在另一侧面反映原来函数的信息。它在物理学各个领域都有广泛的应用，最常见的在信号处理领域将时域的信号变成频域的信号。

　　02.欧拉公式

　　或许 e^(iπ)+1=0 这种形式更出名，这是欧拉公式的特例。它刻画了几个数学常量e pi i之间神奇的联系。欧拉公式有明确的几何含义，复数可以一一对应到二维平面上，称这个二维平面为复平面。而欧拉方程告诉我们单位圆上的复数与其幅角的关系。欧拉公式联系了复指数和三角函数，是最基础的复数公式。

　　03.高斯定理

　　高斯定理表现了电场的性质。如果计算一个闭合曲面上的电场通量（直观理解电场通量就是通过曲面的电场线数目）之和，那么它恰好正比于闭曲面包裹的电荷数，其比例是介电常量。其实不止是电场，任何满足平方反比率的有源场都满足高斯定理。

　　04.斯涅尔定律

　　斯涅尔定理就是大家熟悉的折射定理。光经过不同介质界面时会发生折射，折射的大小与折射率有关。现实生活中的例子就是将筷子一端倾斜着插入水中，从水面上看筷子似乎断了一样。而荷兰物理学家斯涅尔首先定量描述了光线入射角与折射角的关系，即他们正弦的比等于两种介质的折射率比。这一定律就以他的名字命名为斯涅尔定律。

　　05.电弱统一模型

　　根据电弱统一模型，弱力和电磁力被认为是同一种力的两种表现。在对称破缺前，两者完全不可区分，对应4个无质量的玻色子。对称尚未破缺时，真空中布满了希格斯场，与4种玻色子相互作用直到“自发对称破缺”发生。上图公式描述了电弱统一理论中“自发对称破缺”的希格斯机制。

　　06.法拉第电磁感应定律

　　法拉第电磁感应定律也是大家熟悉的定律，磁通量的变化会诱发电场。法拉第研究磁生电的故事相信大家也在高中课本里学过。因为只有运动的磁体才能产生电场，坚信磁生电的法拉第坚持进行了近十年实验，在1831年8月发现这一现象。

　　07.麦克斯韦方程组

　　这就是大名鼎鼎的麦克斯韦方程组。其实当初麦克斯韦总结前人经验提出麦克斯韦方程组时，其形式远远没有现在简洁。通过后人的继续研究，人们才提出这样简洁优美的麦克斯韦方程组。它由四个微分方程组成，刻画磁场与电场的关系，理论上结合一些边界条件可以解决任何电磁学问题。图中表现的是电磁波，电磁波是横波，其电场和磁场振动方向互相垂直，都垂直于电磁波传播方向。

　　08.伯努利方程

　　伯努利在1726年提出的流体力学原理，基本内容是压力势能+动能+重力势能=常量。其本质是机械能守恒。咱们生活中最常遇见的结论就是速度越快压力越小。图中就一个简单实验，一张普通a4纸，抓住一边，向另一边用力吹气，纸另一边就会飘起来。

　　09.费米狄拉克统计

　　对很多个费米子组成的体系，其需要和经典统计不同的统计方法，这就是1926年提出的费米狄拉克统计。由于电子是典型的费米子，费米狄拉克统计在固体物理里面是非常重要和基本的。图中公式就用于固体物理中计算自由电子气的费米能。

　　10.泡利不相容原理

　　在费米子组成的体系中，不存在所有量子数都相同的费米子。费米子指自旋为半整数的粒子，比如自旋1/2的电子。典型运用泡利不相容原理的体系就是我们的多电子原子，它的电子排布遵循泡利不相容原理，在一个多电子原子里，你永远找不到轨道自旋都相同的电子。

　　11.劳厄方程

　　德国科学家劳厄1912提出的著名的劳厄方程，刻画了光被晶格衍射的情况。得益于这个方程，X射线衍射成为测量晶体结构的重要手段之一。

　　12.狄拉克方程

　　薛定谔方程刻画了经典情况下的量子力学，那么再向公式里加入一点相对论会怎么样？答案就是1928年狄拉克提出的狄拉克方程。狄拉克方程具有相对论的协变性，换言之，其在洛伦兹变换下不变，它能很好的刻画高速自由电子的行为。

　　13.德布罗意波

　　1924年德布罗意在他的博士论文中提出，任何物质都具有波动性。其波长由上图中的公式计算。后来他的预言电子衍射实验所被证实，他也因此获得了1929年诺贝尔物理学奖。

　　14.薛定谔的猫

　　1926年奥地利物理学家薛定谔给出了著名的薛定谔方程，它是量子力学最基本的方程之一，同时还有著名的薛定谔的猫思想实验。如果把猫关在箱子里，里面有一个随时可能衰变的粒子控制的毒气装置，粒子衰变时候会触发毒气装置杀死猫。由于没观测粒子之前，粒子处于叠加态上，那么猫是不是也处于又死又活的状态上？

　　15.不确定关系

　　不确定关系式量子力学里非常有名的关系，1927年由海森堡提出，即一组互相不对易的力学量无法同时准确得到。对于粒子动量和位置而言，就是指无法同时测量得到粒子的位置和粒子的动量。注意不确定关系是系统的内秉性质，与观察者无关，所以称之为测不准原理是不正确的。

　　16.郎之万方程

　　郎之万方程刻画的是粒子布朗运动的一般情景。该方程由居里夫妇的得意门生郎之万于1908年提出，布朗运动是指小物体（比如花粉）在流体中不停顿的无规则运动。

　　17.洛伦兹公式

　　荷兰物理学家洛伦兹在1895年提出磁场对运动电荷有力的作用，后来被实验证实。为了纪念他，将运动电荷在磁场中受到的力称为洛伦兹力。这个公式也是高考要考的。

　　18.玻尔半径

　　玻尔在解决氢原子光谱问题时候构建了一种非常粗略的量子化原子模型，其中基态的氢原子的电子距离原子核的半径为著名的玻尔半径，大约0.053nm。

　　19.热机效率

　　热机是指利用内能做功的装置，我们的蒸汽机，燃气轮机，内燃机都是热机。早在1824年，法国人萨迪·卡诺就抽象地提出卡诺循环的概率，卡诺循环工作在两个热源下，将高温热源的热量带到低温热源，过程中将部分热量变成功。其理想效率等于1减去两个热源热力学温度的比。

　　20.波尔兹曼公式

　　玻尔兹曼公式1877由奥地利物理学家玻尔兹曼提出，它刻画了一个描绘混乱程度的物理量熵与系统微观状态数的对数成正比，其比例为玻尔兹曼常数。而熵是系统重要的状态量之一。这个公式也被刻在了玻尔兹曼的墓碑之上。

　　21.光子能量

　　光的能量是一份一份的。爱因斯坦在1905年提出光量子的概念，认为光的能量是一份一份的，成功解释了光电效应。他也因此获得了1921年诺贝尔奖。

　　22.浮力公式

　　浮力定律是初中就学过的经典定律，物体在水中受到的浮力等于其排开水的重力。相传是阿基米德在洗澡时候发现的。

　　23.万有引力定律

　　传说中，牛顿被苹果树砸中后得到万有引力定律。实际上，这是牛顿花费近二十年研究开普勒行星运动三定律后得出的结果。1687年，他首次在《自然哲学的数学原理》发表。

　　24.质能关系

　　同样是1905，同样是爱因斯坦，又一个伟大的公式。这或许是他最被人津津乐道的看上去最简单公式——质能方程。物质的能量等于其质量乘以光速的平方，举个例子，1g物质内涵的能量释放出来相当于2万吨TNT爆炸释放的能量。

　　这些井盖，你都看懂了吗？