2020年12月26日，“科普中國-我是科學(xué)家”第31期“科學(xué)真好玩”演講現(xiàn)場，北京交通大學(xué)物理系教師、“典贊·2019科普中國”十大科學(xué)傳播人物陳征帶領(lǐng)大家展開奇妙的物理實(shí)驗(yàn)之旅。

陳征演講視頻：

以下為陳征演講實(shí)錄：

2020.12.26 北京

大家下午好，我是來自北京交通大學(xué)的物理老師，我叫陳征，我的主要工作就是學(xué)物理、教物理和玩物理。今天我要跟大家分享的話題叫做《用眼睛和手走進(jìn)物理》。

這個(gè)話題從何說起呢？

一說起物理，很多朋友就突然心頭一顫，喚起了中學(xué)時(shí)代被物理老師、被物理課、被物理試卷制霸的記憶。心頭的恐懼油然而生。

為什么會(huì)這樣？

一個(gè)很重要的原因是我們中學(xué)時(shí)代學(xué)的物理是非?？植赖?，以至于江湖上有這么一個(gè)對聯(lián)，它的上聯(lián)是“游西湖，提錫壺，錫壺墜西湖，惜乎錫壺?！本W(wǎng)友們給它對了一個(gè)下聯(lián)“學(xué)物理，如霧里，霧里看物理，勿理物理?！贝蠹叶紩?huì)心一笑，一方面是因?yàn)閷β?lián)確實(shí)非常工整，但更重要的是，這對聯(lián)實(shí)在是扎心了老鐵，是不是？甚至有人給了這么一個(gè)橫批，叫“珍愛生命，遠(yuǎn)離物理”。不知道有多少朋友在這一刻被喚起了恐怖回憶，想起試卷上怎么算也算不出來的題。

大家之所以有這個(gè)印象，很大程度上是因?yàn)槲覀儺?dāng)年學(xué)的物理確實(shí)是這個(gè)樣子的。我們每天對著課本、公式，計(jì)算、推導(dǎo)、證明，然后，每天對著練習(xí)冊刷題，甚至連考試的實(shí)驗(yàn)題都是背出來的。游標(biāo)卡尺的刻度、電流表的指針……如果這些我們都只是見過試卷上的圖片，而沒見過真實(shí)的東西，結(jié)果是什么呢？

結(jié)果就像你去學(xué)蓋房子，有人給了一套非常完備的圖紙，詳細(xì)地說明了每一個(gè)流程步驟、每一個(gè)工藝細(xì)節(jié)?？墒悄銖男〉酱蠖紱]有見過磚頭瓦片，沒有見過鋼筋水泥，你從來也沒有看過那個(gè)墻是怎么砌起來的，頂是怎么架上去的，即便這套圖紙?jiān)僭敿?xì)，對你來講也是天書一般，它和齊白石的蝦、徐悲鴻的馬沒有本質(zhì)的區(qū)別。

但是相反，如果把你扔到一個(gè)建筑工地上，即便你沒有任何理論基礎(chǔ)，就在這個(gè)建筑工地上搬上半年的磚、砌上半年的墻，最后雖然你還是建不起高樓大廈，但是壘個(gè)豬圈你已經(jīng)會(huì)了。在這個(gè)時(shí)候，加上理論知識(shí)的引導(dǎo)，你就有可能成為一個(gè)優(yōu)秀的土木工程師。

物理本身就是一門用觀察和實(shí)驗(yàn)的方法去跟大自然打交道的學(xué)問。我們?nèi)ヌ骄看笞匀槐澈蟮囊?guī)律，起點(diǎn)實(shí)際是對大自然的好奇、觀察和實(shí)驗(yàn)。它應(yīng)該是從我們的感性體驗(yàn)開始的，而不是一上來就對著那些公式。一個(gè)有了感性體驗(yàn)的人，當(dāng)他看到美妙的公式，就會(huì)覺得它非常簡潔、優(yōu)美；可是如果沒有感性體驗(yàn)作為基礎(chǔ)的話，我們就會(huì)覺得公式是天書。

所以，我想做的工作，也是我正在做的工作，就是把物理還原回我們認(rèn)知的過程中去，還原回自然現(xiàn)象本身上去，還原回應(yīng)用的場景里去。這個(gè)時(shí)候，你看到的物理就是另外一個(gè)景象了。這就是我所謂的，換個(gè)方式打開物理。

比如說，我們?nèi)ケ硶?，杠桿原理——省力就要費(fèi)距離，費(fèi)力就要省距離，背著背著就背串了，想不起來省力的時(shí)候，到底是費(fèi)距離還是省距離。但是，如果你有過一次這樣的感性體驗(yàn)，當(dāng)你有10組滑輪，你的力就會(huì)被放大，你就可以拖動(dòng)一個(gè)很重的東西 ，例如一架飛機(jī)。

這是幾年前我在和中央電視臺(tái)《加油！向未來》節(jié)目合作時(shí)做過的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。大家看到我在不停地拉這個(gè)繩子，但飛機(jī)動(dòng)得很慢，這就是省力費(fèi)距離，多么直接。當(dāng)你有過這樣的體驗(yàn)，就再也不會(huì)背錯(cuò)。

很小的時(shí)候，我們學(xué)過伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)，雖然對伽利略究竟有沒有做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)存疑，但是我們總是聽說兩個(gè)鐵球同時(shí)落地、木球和鐵球同時(shí)落地等很多個(gè)版本。它對你來講依然只是一段文字?jǐn)⑹?，你很難想象那個(gè)場景。

同樣是在《加油！向未來》這個(gè)節(jié)目中，我設(shè)計(jì)了一個(gè)60厘米直徑、高6米的真空管，來做羽毛和鐵球同時(shí)落地的實(shí)驗(yàn)。我們先把羽毛放在真空里，鐵球放在空氣里，可以看到它們幾乎同時(shí)落地。那么我們把它們都放在真空管里的時(shí)候，我們來看看下邊這個(gè)高速攝像視頻，可以看到結(jié)果依然很接近。

當(dāng)你有過這樣一個(gè)直接的體驗(yàn)后，再回過頭去想，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量竟然如此精密地等效了，這個(gè)時(shí)候你才會(huì)覺得那個(gè)事情非常精彩。

物理本身是一件非?？岬氖虑椋丝?，還可以親身去體驗(yàn)。比如我們來看一下這段視頻：

大家可以看到，在舞臺(tái)上有一個(gè)特斯拉線圈，產(chǎn)生一個(gè)高壓的電弧。從電弧的長度，用1厘米1萬伏的粗估標(biāo)準(zhǔn)，你可以粗糙地判斷出來已經(jīng)超過了100萬伏。閃電正在劈著一個(gè)東西，這其實(shí)不是個(gè)東西，這個(gè)不是東西的東西是什么呢？

是個(gè)人，這個(gè)人是我。

這個(gè)也是我們在《加油！向未來》這個(gè)節(jié)目上做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。我坐在一個(gè)充滿鹽水的水池子里，2%的鹽水是個(gè)導(dǎo)體，電導(dǎo)率很高。我戴著一個(gè)用錫箔紙包著的草帽，然后又披了一層銅網(wǎng)，雙重防護(hù)。這時(shí)，草帽上面的錫箔紙和銅網(wǎng)，還有導(dǎo)電的鹽水，形成了一個(gè)完整的導(dǎo)體，而我藏在導(dǎo)體內(nèi)部。這就是我們中學(xué)學(xué)過的靜電屏蔽，電荷都在外表面，我安全地待在里面，可以去跟這些閃電做一些交互，它劈我不怕，不但不怕，我們還可以跟它一塊來玩一玩。

我們來看一下這段視頻：

這個(gè)裝在水池子里的人，不是美人魚，還是我。我把身體露出水面的部分裹了錫箔紙，還貼了一層銅網(wǎng)作為雙重防護(hù)。我們做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候一定是由安全出發(fā)，逐漸探索安全的邊界。這個(gè)時(shí)候，我們產(chǎn)生一個(gè)幾十萬伏的高壓，你可以看到，我就可以帶著閃電走。

我還夢想著以后有一天要做這么一個(gè)實(shí)驗(yàn)：不要這些錫箔紙、銅網(wǎng)，我就用一根浮潛管把自己藏在鹽水池子里，然后拿著一根金屬棒藏在水下，肆意地逗弄閃電。這樣才是一個(gè)更酷的物理。

剛才大家看到的場景畢竟還是視頻，今天讓大家眼見為實(shí)，我們在現(xiàn)場制造一個(gè)閃電，給大家看一看。

這里有一個(gè)小的閃電發(fā)生器，是一個(gè)特斯拉線圈。當(dāng)我們打開它，我們可以看到它制造了一個(gè)很小的閃電。當(dāng)我用燈管去靠近它的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)足以使燈管亮起來。這時(shí)，其實(shí)已經(jīng)有電流經(jīng)過我的身體了，只不過這是一個(gè)高頻的電流，同時(shí)電流又很小，所以我其實(shí)并沒有明顯的感受。

我們還可以嘗試用一些漂亮的小氖管靠近閃電，依然可以被閃電點(diǎn)亮，也依然有電流通過我的身體，因?yàn)槭歉哳l電流，所以可以看到趨膚效應(yīng)非常明顯。我甚至可以用手去摸它，也可以帶著閃電起舞，還可以用閃電給大家奏個(gè)樂聽一聽。

怎么樣，懂點(diǎn)物理是不是就仿佛有個(gè)超能力？

我們很容易在身邊找到這樣的裝置，可以經(jīng)常通過這種方式跟物理打交道。就以閃電為例，我們可以跟它共浴，我們可以跟它共舞，我們還可以把它凍結(jié)起來。

這是一塊透明的亞克力板，我在上面用釘子敲一下，啪，一道閃光。然后你可以看到這里邊不斷地有閃電發(fā)生，這其實(shí)是用高能電子加速器把電子像子彈一樣轟進(jìn)這塊亞克力板，然后電子停在亞克力板里面。這時(shí)，突然被一個(gè)釘子敲了一下，平衡被打破，所有的電荷從釘子的破口瞬間放電，從這里沖出去就形成了一道閃電。而這道閃電會(huì)在這塊亞克力板里，給我們留下一個(gè)印記。這就是一個(gè)閃電的雕塑。

這個(gè)就是剛才大家在視頻上看到的那一塊亞克力板，這是由隨機(jī)放電產(chǎn)生的，世界上沒有兩個(gè)相同的，這就是大自然的神工鬼斧。作為一個(gè)五流開外的業(yè)余詩詞愛好者，我還給他寫了首詩——

這個(gè)“束流樹”的名字是中國科學(xué)院高能物理研究所的科學(xué)家們給它起的，我沿用了它來解釋它的原理。

光看還是不過癮。我們還可以把電存起來，感受一下大自然的力量給你的心動(dòng)的感覺。1745年，荷蘭萊頓大學(xué)的物理老師馬森布羅克發(fā)明了人類歷史上最早的可以把電存起來的設(shè)備，叫做萊頓瓶，就是右邊的這個(gè)瓶子。它可以把摩擦產(chǎn)生的電裝起來。

我也做了一個(gè)簡易的萊頓瓶。這個(gè)裝置非常簡單，就是拿奶茶杯或者是罐頭的塑料盒，然后在外面包一層錫箔紙，將兩個(gè)這樣的杯子套在一起，就形成了一個(gè)電容，它就可以存儲(chǔ)電。

在我們的活動(dòng)開始之前，我已經(jīng)預(yù)約了幾位觀眾朋友上來跟我一起感受一下心動(dòng)的感覺。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)非常簡單。我這里是一個(gè)維氏起電機(jī)，用它就可以制造出摩擦起電的電荷。我把摩擦產(chǎn)生的電荷裝進(jìn)這個(gè)杯子里。

臺(tái)上的朋友在這個(gè)桌子后面站成一個(gè)U形，然后手拉手形成了一個(gè)串聯(lián)電路。當(dāng)最邊上的那位朋友用手指去觸碰電極，這一刻就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)放電。

我們就可以感受一下，當(dāng)大自然的力量經(jīng)過你的身體的時(shí)那種心動(dòng)的感覺。這種感覺有一個(gè)名字，叫做Electric kiss，電吻。

通過幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們有了體感上的感受。實(shí)際上，物理非常有趣。

在今天，我們已經(jīng)離不開電了。比如說激光打印機(jī)，它其實(shí)就是利用靜電吸附來完成轉(zhuǎn)印的。

我的工作就是希望用這樣的方式，給大家換一個(gè)打開物理的方式。

我的工作的地點(diǎn)在北京交通大學(xué)的物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心。這是我的實(shí)驗(yàn)室，面積500平米，里面有200多個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置。

我們希望讓大家回歸到自然現(xiàn)象本身去，讓自然現(xiàn)象本身的美打動(dòng)你的心，而不是靠我的顏值。

不管我們在自己的實(shí)驗(yàn)室里，或者走出去，都會(huì)發(fā)現(xiàn)物理特別有趣。

比如，我曾經(jīng)在長城上架過兩個(gè)這樣的衛(wèi)星天線，利用拋物面聚焦的作用，在慕田峪長城的兩個(gè)相距接近1000米的烽火臺(tái)之間對話，利用聲音的聚焦平行傳輸。

我也曾到鄉(xiāng)村小學(xué)的課堂里去，用塑料繩、氣球、易拉罐這樣的簡單材料去做物理實(shí)驗(yàn)，通過這樣的方式讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)物理無處不在。

為什么要干這件事？“獨(dú)樂樂，與人樂樂，孰樂？”當(dāng)然“不若與人”?！芭c少樂樂，與眾樂樂，孰樂？”當(dāng)然“不若與眾”。當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)好玩的東西，就希望有更多的人跟我們一起來玩，這就是我們做這件工作的一個(gè)原動(dòng)力。

對于我們所有人來講，也許未來不一定成為物理學(xué)家，但是物理的思維方式、物理的視角會(huì)讓你的生活變得更美好。希望你和我一起換一個(gè)打開方式，用自然現(xiàn)象本身的美來走進(jìn)物理，用眼睛和手走進(jìn)物理，留住你與生俱來的好奇心。這時(shí)，學(xué)物理就不那么難了。就像我在杭州做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)時(shí)，攝影師抓拍到了這個(gè)孩子的表情，深深地打動(dòng)了我。我希望大家換一個(gè)方式，重新打開物理時(shí)，可以放下你的偶像包袱，也露出這樣的表情。

歡迎大家跟我一起用眼睛和手走進(jìn)物理，我們一起玩物理，學(xué)物理，用物理。

謝謝大家！

演講嘉賓陳征：《用眼睛和手去走進(jìn)物理》 | 拍攝：Vphoto

說到用眼睛和手玩物理，學(xué)物理，用物理，物理學(xué)家已經(jīng)為各位想好了路子，手把手教大家怎么打好水漂。

作者：陳征

監(jiān)制：吳歐

策劃：吳歐 麥芽楊

編輯：阿藜

排版：凝音

校對：凝音

本文版權(quán)屬于“我是科學(xué)家”。