大自然的启示

致力于记录,解读和分享人类探索大自然的精彩过程

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热量本质与能量守恒定律

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:4人 | 浏览:

热量到底是个什么东西,温度代表物体的什么性质,这些抽象的概念下反应的是物质的什么本质特性,这是人们想知道的。著名物理学家焦耳揭开了这个谜底。1847年,焦耳做了迄今认为是设计思想最巧妙的实验:他在量热器里装了水,中间安上带有叶片的转轴,然后让下降重物带动叶片旋转,由于叶片和水的摩擦,水和量热器都变热了。根据重物下落的高度,可以算出转化的机械功;根据量热器内水的升高的温度,就可以计算水的内能的升高值。把两数进行比较就可以求出热功当量的准确值来。

通过这些实验,我们发现自然界的能量可以进行转移,如机械能可以转化成热量,电能也可以转化成热量,于是我们推测,一个和谐的自然应该是这样的:能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到另一个物体,在转化或转移的过程中,能量的总量不变。这就是能量守恒定律,如今被人们普遍认同,并且广泛运用于生产当中,特别是当今社会,分分秒秒都离不开能量。在实验面前,我们对能量有了进一步的认识。各种能量,如动能,势能,太阳能,核能,电能等,他们有一个共同的特点,就是可以对物体做功,或者转化为热量,这两者都是人类所需要的。

布朗运动与分子热运动的猜测

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:3人 | 浏览:

我们看到,地里的黄泥土,再怎么分割,也还是黄泥土;池塘里的湖水,再怎么分割,也还是湖水。自然界的物质看起来都是由无数相同性质的基本物质组成的。我们姑且把这种基本组成物质叫做分子。不同性质的分子组成不同性质的物质,如黄泥土分子组成黄泥土,湖水分子组成湖水。根据物质的这种可分割性,我们由理由相信我们的猜测是合理的。但是,那时候的人们根本想不到的是,物质不但是由分子组成,而且组成物质的分子还在不停的运动。

1827年植物学家R.布朗发现一个很奇怪的现象。在实验室里面,在平静的水上面,撒上一些花粉颗粒,花粉颗粒会悬浮在水中。然后用显微镜观看花粉,布朗发现,花粉在永不停息地做无规则运动。这一发现不打紧,接着,他发现,不仅是花粉,一切悬浮颗粒都会做永不停息的无规则运动。甚至在无风情形观察空气中的烟粒、尘埃时都会看到这种运动。温度越高,运动越激烈。这个现象在当时所有人都迷惑不解,没有人能给出合理的解释。

量子反常霍尔效应:中国诺贝尔奖级别的研究突破

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:0人 | 浏览:

我国获凝聚态物理领域重大突破获将触及诺奖

文·本报记者林莉君李大庆

“这个研究成果是从中国实验室里,第一次发表出来了诺贝尔物理奖级别的论文,这不仅是清华大学、中科院的喜事,也是整个国家发展中喜事。”4月10日,诺贝尔物理奖得主、清华大学高等研究院名誉院长杨振宁教授高度评价了我国科学家的重大发现——量子反常霍尔效应。

由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的试验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一世界基础研究领域的重大研究 成果,从理论研究到实验观测全部由我国科学家独立完成。美国《科学》杂志于3月14日在线发表这一研究成果。由于此前和量子霍尔效应有关的科研成果已经3 获诺贝尔奖,业界很多人士对这项“可能是量子霍尔效应家族最后一个重要成员”的研究给予了极高的关注和期望。那么什么是量子反常霍尔效应?对它的研究为什 么引起世界各国科学家的兴趣?它的发现有什么重大意义?

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热量,热质说

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:5人 | 浏览:

我国古代传说,燧人氏钻木取火以化腥臊,奉为千古圣皇;古希腊神话,普罗米修斯(PrometheusPrometheus)盗天火开罪于主神而泽惠天下,崇为世间英雄。由于史前人类已经发明了火,我们可以想象到追求热与冷现象本质的企图可能是人类最初对自然界法则的追求之一。生活中,我们时时能感觉到冷暖的变化,夏天感觉到身上热,跳进河水中,马上变凉了。冬天感觉身上冷,靠近火炉,就觉得热多了。冬天早上起床,感觉外面空气很冷,感觉穿衣服。晚上,我们躺在被子里,慢慢杯子里变热了。烧水的时候,我们感觉到水逐渐变热。

那么热和冷到底是个什么东西呢?我们自然认为,身上热量多就感觉热,热量小就感觉到冷。那么热又是个什么东西呢?最初,人们认为热应该是一种物质,起名叫热质。热质能在物体之间转移。如夏天跳进河水中,那么什么的热量被河水吸收了,身上就凉快了。冬天跑在热水里洗澡,热质从热水中进入人的身体,于是又感觉到热起来。

燃烧与 燃素学说

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:4人 | 浏览:

物质是由什么组成的,这个问题一直困扰着人们,甚至直到科技如此发达的今天,对于物质和时空的本质,仍然是不清不楚。古代人思考物质的燃烧这个变化过程,猜想有一种基本物质叫燃素,用来解释燃烧现象。可以说,在当时的科技水平,也是一种较合理的解释,有一定的归纳作用,可以用来指导生活生产。我们不妨来瞧一瞧这个燃素说。 

我们想一想,如果我们不去想我们学过的现代化学理论,我们怎么去理解木材等燃烧引起的变化过程呢?燃烧是一种普遍现象,很多物质都能燃烧,燃烧是我们看到了火,燃烧后我们看到了灰烬以及未燃烧完的物体。我们又观察到在深深的洞里面,由于没有足够的空气,物质要想燃烧就很困难,点燃的蜡烛也会自动熄灭,所以,燃烧需要空气。可见,燃烧前是可燃物和空气,燃烧后,一部分变成火,化成热量,另一部分变成灰烬。我们如何来解释这一现象呢?最自然最简单最靠谱的解释,我想还真是类似古时燃素学说吧。因为我们可以简单认为,为什么有的物质能燃烧,一定里面包含某种物质,我们叫他燃素,为什么燃烧后的物质变成灰烬不能再燃烧,那是因为燃素都跑了,跑到哪去了,自然是变成火最后化成空气中的热量了。所以火是由燃素组成的。

物质认识的前奏

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:3人 | 浏览:
在几百万年以前,人类过着极其简单的原始生活,靠狩猎为生,吃的是生肉和野果。根据考古学家的考证,根据考古学家的考证,至少在距今5050万年以前,可以找到人类用火的证据,即北京周口店北京猿人生活过的地方发现了经火烧过的动物骨骼化石。有了火,原始人从此告别了茹毛饮血的生活。吃了熟食后人类增进有了火,原始人从此告别了茹毛饮血的生活。吃了熟食后人类增进了健康,智力也有所发展,提高了生存能力。了健康,智力也有所发展,提高了生存能力。
 
后来,人们又学会了摩擦生火和钻木取火,这样,火就可以随身携后来,人们又学会了摩擦生火和钻木取火,这样,火就可以随身携带了。于是,人们不再是火种的看管者,而成了能够驾驭火的造火者。火是人类用来发明工具和创造财富的武器,利用火能够产生各种各样化学反应这个特点,人类开始了制陶、冶金、酿造等工艺,进入了广阔的生产、生活天地。阔的生产、生活天地。

德布罗意物质波--电子跟光子一样也有波动性

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:1人 | 浏览:

德布罗意是爱因斯坦光量子将设的坚定追随者,他在哥哥的实验室里,通过光电效应等实验,对辐射的量子性质有深刻印像。但同时通过光线(X射线)的衍射实验,对辐射的波动性质也了解的非常清楚。正是这条思路引导他提出了一个深刻的问题,如果电磁波的行为可以像粒子一样,那么像电子一样的这些粒子的行为,是否也能够像波一样呢?他忽然想起爱因斯坦在1905年提出广电效应的新解释时,提出E=hv这个方程。x射线的波长与x射线的能量有一一对应的关系,那么普通具有能量E‘的粒子,是否也有对应的波长呢?想到这,他豁然开朗。他觉得这个公式可以推广到所有的粒子中去,像电子。

9月24日,他又发表了第二篇论文《光量子,衍射和干涉》。在这篇文章里,他试图回答,与电子相缔结的波到底是一种什么波?这显然是他提出的崭新物理思想必须回答的问题。他首次引入了相波。他把相波看成是引导着能量转移的波。这样就能使波和电子的综合成为可能。并且预言,一束电子穿过非常小的孔,可能会产生衍射现象。他在博士论文中指出,考虑到频率和能量的概念之间存在着一个总的关系,我们认为存在着其性质有待进一步说明的周期现象,他与每一个孤立的能量块相联系。它与粒子静止时质量的关系可以用E=mcc质能方程表示,而通过E=hv,又将其与波动性的波长联系在一起。

 

量子物理双杰——2012年诺贝尔物理学奖获得者

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:0人 | 浏览:

 

曾经很长时间以来,实验派物理学家们想在一个微观层面上研究光与物质的相互作用,这完全是难以想象的事。因为,对于光或者其他物质的单个粒子而言,经典物理 学已不适用,量子力学的法则在此时取而代之。但是单个粒子却很难从周围环境中被分离出来,并且,它一旦和周遭环境发生相互作用,便会立即丧失其神秘的量子 特征。

如此让人束手无措的局面,使得很多量子力学理论所预言的怪异现象无法被科学家们直接观察到。于是长期以来,研究人员只能依靠那些法则已证明可能会影响到量子奇异特性的实验来进行观察研究。而这或许让实验派物理学家们感觉一直跟在理论的后边亦步亦趋。

 

波尔用量子思想解密最最神奇的原子特征光谱

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:3人 | 浏览:

由于仪器的限制,光谱的研究一直没有进展,直到1859年德国科学家本生重复了牛顿实验之后,才取得了新的进展。本生对牛顿的实验作了改动,用浸了食盐的布条燃烧时发射的光来代替太阳光,结果,本生在实验中看不到七色光谱,看到的是很少几条亮线,其中有一条明亮的黄线。本生的实验立即引起了基尔霍夫的注意,他们在多次试验之后得出结论,太阳光包含所有颜色的可见光,而实验室的光源在燃烧某种元素,光谱中只出现特有的光谱颜色。如本生实验中食盐中的钠燃烧时,只显示明亮的黄色。这黄色光谱对应于一个单一的特定的波长,称为钠的特征光谱。实验证明,每种元素都有它自己的特征光谱,这种特征光谱就像是各种元素的身份证或者名片。当然,有些元素的特征光谱要比钠的复杂得多。例如氢的特征光谱由四条可见光构成。比氢更复杂的特征光谱还很多。

原子有自己的特征光谱,这是当时科学家们百思不得其解的问题,更神奇的是,这些特征光谱一定隐藏了不为人所知的巨大秘密,于是,人们开始尝试寻找这些谱线背后的秘密。有个叫巴耳末的普通数学老师,对原子的特征光谱产生了浓厚的兴趣。他从氢光谱的四条特征谱线着手,他们的波长分别是6536,4861,4341和4102,单位是埃。巴耳末思索的是,这些数据之间,有没有隐藏的数学规则呢?功夫不负有心人,巴耳末最后竟然得出了这样一个公式1/λ = R(1/2^2 -1/n^2 ),当n=3,4,5,6时,得出了氢的四条特征谱线的波长。巴耳末虽然给出了公式,但是他也无法从理论上来解释。

量子效应再现人间----固体比热规律的完美解释

作者: onfoot | 分类: 量子迷宫 | 评论:1人 | 浏览:

 1910年3月,苏黎世大学发生了一件了不得的大事,德国柏林大学教授兼柏林大学化学研究所的所长能斯特,居然专程来苏黎世大学拜访爱因斯坦,人们都说,既然伟大的能斯特能专程来与爱因斯坦讨论问题,那这个爱因斯坦一定是一个了不起的聪明家伙。而能斯坦正是为了固体比热问题而来,也就是物体温度升高一度,需要吸收多少能量的规律。

我们先来看看当时固体比热的研究情况。早在1820年,法国物理学家杜隆和珀蒂发现,一切固体的克分子比热都相同,是6卡 / 度。当时没有人能解释为什么,直到19世界60年代,科学家根据麦克斯韦,波尔茨曼的分布率导出的能均分定理,可以直接了当的得出这一结论,这也是经典统计力学的一个了不起的成就。但是,科学总是在曲折中前进。到1872年,韦伯发现金刚石,石墨,硅等的比热与6卡/度低很多。只有当温度升高时,才接近6卡/度。这一发现,引起了物理学界的巨大混乱。出现了”第二朵乌云”之说。开尔文认为,一定是能均分定理错了。他试图从能均分定理的理论推导中找出破绽,但没有找到。但它还是坚持自己的观点,认为能均分理论不可信。另一个著名的英国物理学家瑞利,则认为能均分定理没有错误,危机的出现,是因为热门漏掉了某些东西。

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