物理学家如何看待物理和化学的关系？| 问答

2016-04-21 sym等 中科院物理所

又到了写答案的周五了啊（摸摸后脑勺）！感觉问答专栏渐渐进入一个正轨。一方面，同学们在后台的问题越来越具有广泛的科普意义。高兴！另一方面，自认为我们的回答也越来越善于兼顾普及性和专业性了（我们自信前几个问题对所有人都是有益的，同时也自信最后的问题对研究生及各位老师也是有帮助的。），内容上也越来越详尽。（比如本期好几个答案的字数已突破天际！）总之，还在犹豫要不要提问的同学。如果你有思考了很久仍然无法自己参透的疑惑，或者脑洞大开的思想实验，或者非常具有启发性的思辨。赶紧砸过来吧。

看我们自信的眼神~

(*￣(エ)￣)。

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我们知道物理学中有很多名词是用古文来表示的，可想上个世纪老一辈的科学家文学修养非常高，听我的老师说中科院写过一个系列有关名词解释的文章，在网上没有找到，希望您能帮忙找一下，非常感谢

by 张泽

《物理学咬文嚼字》，这是我们物理所曹则贤老师写的。这本书通过比照重要物理学文献的英德法文原文。把一些中文物理名词在翻译过程中被曲解的物理意义，以及概念之间丢失的内在联系指了出来。

高中物理小白想要提问！
两个磁铁相互吸引的时候，他们会共同具有引力势能，那么这个时候把其中一块磁铁放入酸中，完全反应之后，这块磁铁消失了，请问引力势能哪儿去了？？转化为了什么形式的能量？

by 小段

在磁场中溶解磁铁，原本磁有序排列的磁性粒子变成完全无序的离子状态，磁能减少的同时伴随熵值增加，形象地说势能转变成到处乱跑的自由能。

我知道把物理图像弄清楚和会做很多题是两码事，因为会做题不代表你学懂物理了。但作为一个本科生总是有很多考试，考试的分数真的能衡量一个本科生的能力吗？

by Edward

你说得对！物理图像和会做题不能等同。

不过考试分数还是能衡量一个本科生的能力的。只是考试分数衡量的是一个学生的下限，并不反映他的上限。

对于中后段跟优段的比较，考试分数是很好的衡量标准。

对于较优段跟优段跟极优段的比较，考试分数参考价值不大。

考试分数是一道山门（而不是终点）。首先你要努力做到较优段，然后继续去追求其它更高的目标。比如物理图像等。

膨胀导致压力下降，压力下降使得气体分子移动速度降低，从而降低温度。怎么理解

by 坏脾气MHW

膨胀导致压力下降没什么好说的。关键是第二个压力下降使得气体分子移动速度下降。从而降低温度。

想想一个方盒子里面有很多气体小球。小球不断的撞击盒子的墙壁。单位时间单位面积内对墙壁的冲量就是压强。小球的平均平动动能就是温度。这个时候如果方盒子在膨胀，那盒子内的小球的密度就下降了。单位时间内就只有更少的小球撞击到墙壁上。所以压力就下降了。

另一方面。如果你把一个小球以速度v砸向一面静止的墙壁，很显然，小球会以同样的速度v反弹回来。那如果你把一个小球以速度v砸向一个以很小的速度u逐渐远离的墙壁呢？这时候反弹回来的小球的速度是v-2u（简单的能动量关系）。小球移动速度变慢啦！膨胀的方盒子就是几面以小速度（相对于气体移动速度）远离的墙壁，所以温度就变低咯。

另外值得一提，这里温度变低的先决条件是有这么几面墙壁(所谓墙壁就是一个阻碍自由膨胀的物体)。或者说得更专业一点，气体要对外做功。如果没有墙壁，一团气体在真空中自由膨胀，那么气体分子移动速度并不会降低。

如果将一个事物温度降到绝对零度，那么这个事物是不是相对来说时间停止了？

by 物理白痴

并不会哦。事实上就算到了绝对零度也并不意味着所有事物都绝对静止了。因为我们有量子力学的不确定性原理。温度为零的时候我们也有并不是很小的量子涨落。这个显然是含时的。另外在一些更特殊的系统中（比如说自旋阻挫系统），它们在绝对零度上不但有运动，甚至还表现得跟液体一样（自旋液体），甚至在绝对零度还会发生相变（量子相变）。这些在绝对零度上发生的丰富的物理现象显然都是含时间的。而且这些现象目前都还是凝聚态物理研究的前沿。

作为一个物理学家，你是如何看待化学和物理的关系的？因为我是一个学化学的，我发现身边不少学物理的人觉得化学是物理的一个分支所以只要学物理的必然会化学但是学化学的无法理解物理。但是我觉得化学和物理息息相关但是对于问题的着手点和研究方向以及现实中的应用都有很大的不同，所以物理和化学不应该是父子关系应该是兄弟关系。你怎么看呢？

by AllyBo

哇，一个物理学家来评论物理和化学谁更重要的问题。要我说当然是物理了。（隔壁的数学家们是不是要表示一下情绪稳定？呵呵）。其实看到你的问题，我默默地翻开了自己这些年看过和想看的化学书，回想起“兄弟当年在英国的时候”听说学校的有机化学课很有名，特意去旁听有机化学导论的痛苦。。。所以就我个人的失败经历来说，学物理的必定会化学，学化学的无法理解物理是不成立的。我的学术传承上祖师爷一辈是个有名的物理化学家，他的物理功底许多知名的物理学家也未必赶得上。科学是追求世界的本原问题，这种追求来源于人的好奇心和探索精神。幸运的是我们发现自然规律都建立在包括质能守恒，动量守恒，熵增原理，电荷守恒，电磁理论，力场理论，薛定谔方程，海森堡测不准原理，泡利不相容原理，对称定律等基础原则上。这些原则构成了我们认识世界的运行的基础。在这些基础上，物理学家更关注于物质内在的性质和为什么具有这些性质。而化学家更关注于物质的转化和如何转化。热力学，量子力学，是现代化学必教内容，但就像“条条道路通罗马”并不能揭示“人们为什么总走这条路”或者甚至“为什么人们不走向米兰”一样，物理不能代替化学。反之亦然。作为一个热爱科学的化学家，这位读者没必要纠结于谁是谁的父亲这样的问题（说起来化学的历史可是悠久的多啦）。这并不能帮助你获得更多的收获，畅游在科学的海洋里，偶尔获得前人没有发现的知识，利用新知推动社会的发展难道还不够让人高兴的么？

星系的红移，可以通过观测者接收到的波长λo与天体发射的波长λe之差除以λe得到。但是这里的λe可以如何得到呢？我开始想可以通过测量天体的陨石得到λe，但是又发现星系距离我们很远，有的都达到100M秒差距了，得到陨石似乎不太现实。

by 打开君

并不需要通过陨石。这个地方用的是原子光谱（有时候也是分子光谱）。简单地科普下原子光谱，以氢原子为例，它们在受到外界能量激发后会以电磁波的形式释放出能量。而且释放出来的电磁波只具有特定的频率，谓之光谱。这些特定的光谱是由氢原子的电子结构决定的（本质上就是电子在不同的激发态之间不断跃迁释放出特定频率的光子）。原子不同，原子的电子结构就不同，释放出来的光谱就不同。所以这些原子光谱就像原子的指纹一样。

回到我们的问题，由于整个宇宙的氢都是一样的（请思考为什么）。所以他们释放的原子光谱（频谱）也应该是一样的。我们在实际观察中发现有些天体的氢原子光谱的每条谱线跟地球上的氢原子光谱曲线比较都平移了一个相同大小的波长差，那我们马上就知道，这个波长差正是由于红移造成的。

所以不需要陨石。所以我们只需要把天体的光谱拍下来，平移一下，如果平移之后发现这个天体的光谱和地球上的某些元素的光谱完全重合。那么这个平移量就是天体的红移。顺带着我们也测出了这个天体上都有些什么元素:-D

复变函数会在物理的哪些方面用到？为什么要设计出这么一套体系？

by 学物理后得了抑郁症的渣渣

这位同学这个名字Orz......因为复数是性质非常好的代数结构。比实数好得多（比如解析函数任意阶可导，比如实系数方程组的解可能不是实数，而复系数方程组的解一定是复数。）。用起来方便。比如复数的指数形式表示在复平面的拉伸和旋转，天然地就是适合研究物理中的各种相位的代数。这一点在波动力学，光学，量子力学中都得到了充分的应用。比如在研究输运过程，相互作用系统的格林函数方法里面，复变函数的留数定理给计算带来了极大地方便。再比如wick rotation，给时间轴乘上一个虚数i, 那狭义相对论的四维时空就可以转化成一个四维欧氏空间来研究。如果把乘上虚数单位i的时间定义为温度。那么一个量子力学问题就可以转化成一个经典的统计力学问题。研究有限温输运的松原格林函数的连续积分可以转化成一个离散的对频谱的求和。

总之，用起来方便。

很多金属都是超导体，一部分金属通过加压也可以变为超导体。那些氧化物高温超导体也有不少通过掺杂表现出金属性，那么金属性是出现超导电性必须要经历的前提吗？或者说，超导现象的普遍性是怎么来的？

by jonneybear

这是个很好的问题。

首先，常规金属超导和氧化物高温超导是不同的超导机理，前者是基于电子-声子相互作用配对，电子库伯对发生相位相干后凝聚到低能组态；后者的配对模式和微观机理目前并不是很清楚。因此，常规金属成为超导体，和氧化物掺杂后出现金属性再超导，其微观过程是有区别的，两者物理本质不同。
其次，尽管非常规超导体的微观机理不清楚，但库伯电子对的概念基本上都适用，只是配对方式和媒介各有不同。换句话说，绝大部分超导电流的载体都是库伯电子对（不排除例外）。那么，金属性是不是出现库伯对的前提条件呢？随着温度的降低，许多材料都是高温下呈现金属性（电阻随温度下降而减小）而后才在低温下超导。例如：铜基高温超导体母体是绝缘体，但必须掺杂以后出现金属性才能在低温下超导，而铁基超导体大部分母体本身就是金属，掺杂后也还是金属性的。但是，此金属非彼金属，高温超导体的金属态是无法用传统费米液体理论来描述的，也就是属于所谓非费米液体，某种意义上又被称为“奇异金属”。令人诡异的是，对于欠掺杂（掺杂浓度较低）的铜氧化物超导体，尽管高温下是金属性的，但是接近超导转变附近会有半导体行为，电阻随温度下降会有一个上翘，这主要来自于磁有序/电荷有序/赝能隙等复杂原因，也有人认为这个区域就早已存在库伯对，只是没有相位相干而已。因此可以说，金属性并不是库伯对的必要条件。不过话说回来，维系库伯对和形成超导电流需要大量的巡游性载流子，如果载流子太稀薄，显然超导性容易被破坏，这或许是许多超导材料都呈现金属性的原因之一。
最后，尽管目前在三维体材料里面，尚没有从绝缘体直接转变为超导体的明确证据。但在低维体系，例如准二维的薄膜里面，超导-绝缘体或超导-金属相变是被证实存在的，通过调控材料的磁场或者压力环境，可以实现从一个绝缘体到超导，或一个金属到超导的相变。从这个意义上来说，金属性也不是超导的必要前提。
再补充一个超导材料探索的小秘密（嘘，小编说，一般人不告诉他），如果你合成一个新的块体材料，要想迅速判断有没有希望超导，最便捷的方法就是用万用表戳上样品量一下它的电阻，如果电阻数千上万欧姆，那基本上超导没戏了，如果只有几欧姆，那就再测测低温电阻或磁化率吧。当然，还是，不排除例外……（是个例外就赚大发了！）