物理問答 Q＆A

Q：為什麼晶體有固定的熔點而非晶體沒有，我看到一般書上只寫到，因為晶體是長程有序的，而非晶體是長程無序而短程有序，求更深理解，為什麼長程有序就有固定熔點？

A：這個可以說得很形象。融化的本質就是熱力學漲落，也就是分子的隨機運動劇烈到可以克服分子間的吸引相互作用，使分子從束縛的狀態掙脫開來，從而使得原有的固體結構被破壞。

晶體是長程有序的。這句話的意思是說，你可以找到一個最小的單元，叫做原胞。然後晶體的其他部分就是這個原胞的反覆複製。也就是說，晶體各個部分的分子間的吸引作用一模一樣。那也就是說，當你逐漸升溫(假設你是均勻加熱)，你的熱漲落逐漸增強的時候，晶體各個部分要麼都維持現有的結構，要麼都同時被破壞，兩者必有其一。那麼一定有一個溫度點是這兩種情況的邊界，這就是熔點。

非晶體是長程無序而短程有序。這句話的意思是，雖然我也形成了分子間的吸引相互作用。但我的相互作用比較隨性。這裡強一些，那裡弱一些。

那當你逐漸增強你的熱漲落，可能一些地方弱點的吸引相互作用已經瓦解了，但另一些地方的相互作用還巍然不動。你再提高一點溫度，又一些次弱的吸引相互作用瓦解了，而一些更強的還在堅持。於是自然的，融化過程在一個溫度區間上發生，自然就沒有固定的熔點了。

Q：外爾費米子是磁單極子嗎？二者有什麼關係嗎？

A：說外爾費米子是「磁單極子」是一種數學上的類比，指的是外爾費米子在量子力學的相空間滿足的方程，跟磁單極子在普通空間里的運動方程是一樣的。

在經典理論中，磁場是無源場，即所有的磁力線都是封閉的，但如果真的存在「磁單極子」的話，磁力線就會從正磁荷處產生出來，到負磁荷處消滅。這樣帶正負磁荷的磁單極子就會形成磁力線的「源」和「漏」。凝聚態物理中發現的外爾費米子也具有這種有趣的特性，外爾費米子的存在會導致相空間中的「貝里曲率」 形成跟磁單極子周圍的磁場非常類似的「源」和「漏」的結構，因此我們常常說外爾費米子就是凝聚態物理中的「磁單極子」。

Q：二維世界的原子是什麼樣的？

A：這位讀者提出了一個非常好的問題。絕對的二維世界意味著三維空間在一個方向上尺度變成零。我們作為生活在三維世界中的生物，思維上很難想像二維世界中的物理規律和基本粒子。許多我們三維世界中的守恆定律要重寫，比如如果電荷數守恆，那麼二維世界中電荷產生的電場就不會是距離的二次冪指數函數，點電荷的電勢場就會變成ln 形式。那麼二維世界中原子周圍的電子軌道肯定不同。同樣的原則，二維世界的重力場也要重寫。二維世界裡行星的運動會滿足不同的運動規則。科幻小說《三體》提到降維攻擊的概念，在我的腦海中，降維條件下基本粒子及其運動規律都迥然不同了，高維世界的生物要想適應也不是一件容易的事情，所以我們應該還算安全。

從我們三維的世界的物理規律出發，許多二維的體系是不會存在的。其中一個例子是二維的原子排列是否能形成周期性的晶格結構。根據Mermin—Wagner 定律，在絕對零度以上，二維體系中，長程的熱漲落會毀壞所有的長程序。那麼問題來了，為什麼我們還會見到這麼多的二維材料呢？比如著名的石墨烯單層碳原子構成的蜂窩狀材料?大家可以猜測一下原因。

(有基礎的讀者可以自行回答，不願猜謎的可以參考一下《自然-材料學》雜誌2007 年的一篇文章(Nature Materials，2007，6：658—861))

Q：力有傳播速度嗎？

A：有的，機械力的速度就是材料中聲音的傳播速度，比如鋼大概就是五六千米每秒。如果是真空中傳播的力比如電磁力和引力，傳播速度為光速。

Q：記得中學課本上寫的：人體的安全電壓是36V。為什麼不說安全電流而說安全電壓呢？到底是電壓危險還是電流危險？

A：考慮人體的情況，高電壓不一定會殺掉你，但是強電流一定會殺掉你，但是低電壓一定不會在人體產生強電流。所以低電壓一定是安全的。那為什麼不直接寫安全電流呢？因為電網的標準里只有電壓才是恆定不變的，這樣有利於電網中的負載正常運轉，而電流是隨電網中的負載隨時變化的。所以綜上所述，第一，安全電壓雖然不是直接原因，但也是安全的充分條件；第二，設置安全電壓在可操作性上比設置安全電流強得多。

Q：自然界中有沒有天然存在的量子態粒子？

A：有的，比如光子。相同頻率的光子在任何溫度下都是量子相干態的。

Q：兩列傳播方向相同，振幅相同，頻率相同，相位差180度的光波在真空中干涉相消，請問能量去哪了？

A：好問題！記住相干不會改變系統總能量，只會改變系統總能量的空間分布。那麼這裡的能量跑到哪裡去了呢？答：無窮遠處。實際上是因為我們做了過於理想的近似，真實的光波是不可能是無限延展的平面波的，它一定會在遠處繞回來。(你想想磁場線的閉合條件，以及無源電場線的閉合條件)。所以平面波近似是忽略了遠端效應的近似結果。如果不忽略，你馬上就會看到光場的能量在遠處(遠到不能做平面波近似)相干增強了。

Q：磁場與電場本質上到底有什麼聯繫，分別是怎麼聯繫的？

A：在相對論的高度上的話，磁場和電場就是同一個東西。或者說得嚴格一些，是同一個物理量(這個物理量叫電磁場張量)的不同分量。這就意味著磁場和電場在不同的參考系下是可以相互轉化的。而事實正是如此。以不同速度運動的慣性參考系中看到的磁場和電場是可以不一樣的，但他們總的電磁場張量一定一樣。而麥克斯韋方程組其實反映的是在幾何上保證這種轉化不出現bug(比如能量不守恆或動量不守恆之類)的幾何結構。

如果繼續深入下去，可以用純幾何的語言來重寫電磁學，電磁場可以定義成一個稱為纖維叢的幾何結構，磁場和電場反應了這個幾何結構的曲率。

Q：為什麼只有鐵、鈷、鎳少數金屬對磁場有反應？

A：物質對磁場有明顯反應需要同時具備從原子到分子結構(或晶體結構)對磁場的敏感度條件，原子具有磁性，首先就排除了好多外圍電子成對的元素，同時原子變成物質的組合方式不一樣時磁性也不一樣，即使對於鐵、鈷、鎳，磁性較強也只限特定的結構與一定的溫度範圍內。好比一個隊伍方陣，能共同朝一個方向跑步走表示磁性強，這首先要求每個人都能跑起來，但光能跑還不夠，各人跑的方向不一樣隊伍就散了，還需要所有成員統一行動聽指揮，以共同一、二、一的節奏才能一致跑起來。

(此問題展開講挺難的，有興趣的讀者在CharlesKittel的固體物理中可以找到更詳細解釋)

Q：大學物理應該怎麼學才比較好比較透徹？

A：個人之見。主要有兩個能力，物理圖像和數學水平。前者要靠大量計算，廣泛閱讀和很多下意識的思考。後者要靠大量的計算和做題以及對數字的敏感和熟練。另外物理系的課程之間的聯繫千絲萬縷，不要把任何一門課當成一門孤立的課來學習。要花大量時間來融會貫通。總之前面這些就三個字：堆時間。最後就是心態要好，上面這些都能做到的鳳毛麟角，做不到不必氣餒。

* Q&A選自中國科學院物理研究所微信公眾號每周五發布的《問答》專欄，回復者為物理研究所戴希、梁文傑、陸俊和程嵩。受篇幅所限，這些答案難以盡善盡美，欲深度了解其中緣由的讀者請同時參閱相關專業書籍。

本文選自《物理》2016年第6期

請您繼續閱讀更多來自 中國物理學會期刊網 的精彩文章:

TAG:中國物理學會期刊網 |

※趣的物理問題及答案！
※物理君解答120個高中物理必知問題
※全新理論物理模型問世，一舉破解暗物質等五大物理懸題！
※激光 基礎物理or量子物理？
※物理學中的理論概念
※沒有物理的話，請問理科是什麼？
※物理諾獎解讀：拓撲學在物理研究中有哪些具體應用？
※談談物理學中的定理——by 空弦
※物理探秘 十四種奇妙的物理現象
※如何讓普通人理解物理學中「場」的本質？
※WCPT「世界物理治療日」系列活動第4場—物理因子治療作用原理
※高中物理 物理解題常用經典模型
※物理學的六個基本原理
※理論物理學家是份怎樣的工作？
※動物也懂物理學
※意識是什麼？物理學家尋找答案
※高考物理專題：物體動態平衡中的「三值」問題
※問道手游雲獸寵物測評 70級最強物理寵物
※從「物理大熱」到「棄物理」為啥物理被嫌棄？原因其實很簡單！