《张朝阳的物理课》“新春第⼀课”完美收官 李永乐助教详解5G科技

时间和空间不是各自独立的吗？怎么搅和到一块儿了？世界上最有名的方程E=mc²是怎么来的？3月11日，《张朝阳的物理课》线下“新春第一课”首次开讲，搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳与来自北京各高校的物理学子及物理爱好者们一起探讨物理的奥秘。人大附中物理教师、科普视频创作者李永乐也作为嘉宾现身，与同学们进行了互动交流。

第一堂线下物理课讨论“相对论”   直播风格独特强调“硬核推导”

“这个活动是特别独特的。”张朝阳在开场说道，“物理课我在线上已经讲了三十讲了，覆盖了很多话题，今天是别开生面的第一次走到线下。”

线下“新春第一课”，张朝阳重点讲解了狭义相对论中最为著名的方程E=mc²，并加以解释，为什么这个小小的公式蕴藏了巨大的能量，可以把一丁点儿的质量放大成巨大的能量。甚至，原子弹、氢弹、太阳的能量都与此有关。张朝阳表示，“所以这个公式非常重要，跟每个人的生活息息相关。”

“我的课比较强调硬核推导。”张朝阳介绍，要理解狭义相对论，必须先了解光速的特殊性。他先从麦克斯韦方程组导出的电磁波方程入手，指出了光速与参考系无关这种反直觉推论，并且之后的实验也证实了这种现象。他利用光速不变的事实，推导出时间膨胀效应，即运动的时钟相对于静止的时钟流逝慢，说明此时时间与空间不再独立。

张朝阳解释，描述时间与空间的关系的方程就是洛伦兹变换，洛伦兹变换能把一个惯性参考系的坐标变换到另一个做相对匀速运动的惯性参考系下。他在黑板上写下了洛伦兹变换公式，并且结合同时性的相对性概念推导出了动尺缩短公式，即运动的尺子在静止参考系下看会比在尺子固有参考系下短。

洛伦兹变换只是坐标的变换，张朝阳进一步通过洛伦兹变换导出了速度的变换公式，这与传统牛顿力学中简单的速度矢量的叠加非常不同。有了速度变换公式，他开始推导不同参考系下两个质量相同的小球的碰撞过程，通过动量守恒定律与类比牛顿力学中动量的定义，计算出了动质量与速度的关系。随后将力关于位移积分，得出爱因斯坦最著名的质能方程E=mc²，它描述能量与质量的关系。张朝阳又以铀235的裂变过程为例，说明质量是可以转化成能量的，而其能量可以用爱因斯坦质能方程计算出来。

现场与同学对话讨论薛定谔方程   利用量子力学推导氢原子半径

在其后的互动环节中，张朝阳还与同学们探讨了各种物理问题。包括薛定谔是如何猜测出薛定谔方程的，张朝阳进行了现场推导，爱因斯坦假设了光子的存在并且提出了光的波粒二象性，德布罗意进一步假设所有物质都有波粒二象性，粒子可以模仿电磁波写成波的形式，对波求时间导数可以提出能量，而对波求空间导数可以提出动量，然后将哈密顿量中的能量与动量换成对应的算符，并把研究对象用波函数的形式表示，即可猜出薛定谔方程。

对于如何用不确定性原理估算出氢原子半径？张朝阳解释，在经典电动力学中，电子绕原子核转动是会辐射电磁波的，最终电子会迅速塌缩到原子核里面，这么看氢原子就不能稳定存在了，但在量子力学中动量与位置满足不确定性原理，电子往原子核塌缩时其位置不确定度越小，动量不确定度就越大，动量越大会让电子有远离原子核的趋势，抵消了电子往原子核塌缩的趋势。

张朝阳不仅做了这定性的说明，还做了定量的计算，他利用不确定性原理将动量表示成位置的不确定度并代入到哈密顿量中，计算出能量取最小值时的位置不确定度为玻尔半径，也就是氢原子基态的半径为玻尔半径，电子并不会塌缩到原子核内。张朝阳惊叹这种简单的估算计算出的结果竟然与严格解薛定谔方程的结果一致。

“网红”物理老师李永乐现场助阵   讲述爱因斯坦发现广义相对论过程

此外，人大附中物理教师、科普视频创作者李永乐也来到了“新春第一课”的现场，与张朝阳一起和同学进行互动交流。

对于同学们都很关心的爱因斯坦与相对论的问题，李永乐现场补充解释，狭义相对论最大的收获问题是不能处理引力，爱因斯坦提出等效原理，认为引力场与以适当加速运动的参考系是等价的，这扩充了惯性系的概念，跟随引力自由落体的参考系其实可以看成一个局部的惯性系，这暗示了引力其实是时空的一个属性而不只是一种单纯的力，因此爱因斯坦进一步将引力几何化，得到了广义相对论。

在问答环节，一位来自北京大学信息科学技术学院的同学提问刚刚结束的北京冬奥会上，5G直播背后的物理学原理。嘉宾李永乐老师现场以精简且有趣的语言阐述了联通5G大速率、低延时、覆盖广等优势，体现了大国实力下科技为生活增添美好的硬核实力。此外，他还聊到了爱因斯坦的奇闻轶事，讲了他提出狭义相对论乃至广义相对论的过程，以及在这个过程中他受到朋友的帮助与启发的故事。

持续打造知识直播平台   搜狐视频吸引诸多科普播主入驻

截至目前，《张朝阳的物理课》已直播三十多期。张朝阳先是从经典物理学开始，科普了牛顿运动定律与能量动量守恒原理等；而后从经典物理的“两朵乌云”说起，向近现代物理过渡，探讨了由黑体辐射研究引出的维恩、瑞利-金斯、斯特潘、普朗克等系列公式。

此后的物理课程逐步进入量子力学领域，从基础的薛定谔方程、算符对易关系等理论内容，到无限深势阱、氢原子波函数，再到谐振子量子化、气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例。内容丰富、覆盖广泛，理论公式由浅入深、繁简交融。

从此前的物理课可以看出，《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜：注重推导，通过一步一步详尽地数学计算，推导出相关的物理公式，把每个公式从头到尾拆解地十分清晰。正如张朝阳所说，“在好奇心驱使下，了解自然界的奥秘，了解我们在这个世界生存的道理”。而了解道理最好的方法就是明白道理是怎么得来的，这也是为什么《张朝阳的物理课》始终坚持用扎实的公式推导过程来讲授物理的原因。

该课程于每周周五、周日12时在搜狐视频直播。同时，网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”，观看往期完整视频回放。

除了《张朝阳的物理课》外，搜狐视频在直播方面专注打造知识直播平台，陆续邀请各领域的头部播主长期入驻，直播科普知识。包括北京交通大学理学院教师陈征博士的“奇趣的科学实验”；康奈尔大学物理化学博士包坤，化身“包大人玩科学”，教普通人看懂2021年诺贝尔奖；还有天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”，理论物理博士周思益也开通“弦论世界”直播课等。未来还将有更多知识播主入驻搜狐视频，一起互动玩转科学。