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军事物理学从军事知识角度思考物理学传

来源:萨拉热窝 时间:2023/4/21

玄机的揭示者

我不是“军事迷”,但无意中曾了解到马克沁机枪连发的原理,知识获得的当时内心产生了一种强烈的震撼。

我们都知道,普通枪支射击后会产生后坐力,这个力如果不善加利用,就是个烦人的、危险的冗余物。而且每射击一次就要各种动作全来一遍,发射效率很低。马克沁机枪利用火药爆炸产生的高压气体,完成机枪自动退壳上膛、连续射击的动作。它一举把后坐力这家伙给充分利用了起来,变废为宝,也实现了自动连续射击的梦想,可谓一举两得。再想深一点,这个创意,其实也就是把汽车火车等的内燃机连续运转原理极致化,应用到了枪械上。

讨论这个知识点,可以跳出复杂具体的枪械内部结构。一件神奇的事情是如何发生的,当你了解其玄机后,不会发出“切,不过如此”的失望感,而是会更加觉得这事神奇,就说明这个知识点有其特殊的厉害。一个事物你也许不太需要知其然,却可以深刻知其所以然,这也是个很有趣的知识现象。

一个人能为类似的知识传播投入巨大精力,令人不由得心生敬意。像这样为知识普及着迷的精神,像这样执着的玄机揭示者,我们或许也完全可以归其为“科学素养”,称其为“科学精神”。一个有追求有底蕴的民族,少不得也离不开这种精神和传统的培育浇灌。(刘功虎)

曹则贤

在中国科学院物理研究所,研究员曹则贤被称为科学家、科普明星与才子。他是科技部纳米材料项目首席科学家;他的一些讲座视频单条抖音播放量过亿,说是“科普明星”绝不为过;他在物理所作的“三八妇女节”讲座持续多年,深受同行追捧,大家戏称“没有曹老师的讲座,物理所的三八妇女节是不完整的”。能够让同行和同事如此欢迎,无疑是大才子。

前不久,曹则贤老师写出新书《军事物理学》,并就此接受了长江日报《读+周刊》专访。

《军事物理学》曹则贤著上海科技教育出版社

皱纹是一个力学问题

曹则贤的“三八妇女节讲座”可说是物理所的一个品牌、一段佳话。当时他和朋友研究了“应力”问题,获得了一些非常有意义的研究成果。“材料应力工程和皱纹的生长有关,我们所的女同胞就要求我给大家讲讲,于是就有了年的讲座《皱纹之美与尊严》。”

他说,皱纹是一个力学问题,因为人年老时外表皮比真皮面积大,外表皮对真皮部分有往外的张应力,张应力足够大的时候,皮肤就会出现弯曲,这就是皱纹。然后他写出一个复杂的方程,指出“目前没有一个科学家能完成具有脸部拓扑的、肌肉—脂肪—真皮—表皮结构之曲面的永远近似平整的规划”,所以剌皮手术的结果就是很不自然、必须不断整容。

现在在网上还能找到他做的PPT,穿插了大量的文学、演艺素材,堪称精彩又幽默。

于是一发而不可收,第二年他讲了“极性的世界”,两种性别就像正负电荷相互吸引。这个讲座里诞生了金句:“正负电荷之间的相互作用,是可以被别的电荷屏蔽掉的。如果你的女朋友在遥远的别处工作,身边还围绕着很多帅哥,你还觉得你对她很有吸引力,那说明你电磁学考试及格是老师的努力。”

第三年的讲座《谁引诗—情到碧霄》讲的是表达的问题,爱情要表达,物理本身也是表达问题;根据这个讲座内容做的一些视频在抖音播放量也都是万量级。

他还讲过“作为时间函数的情感问题”,讲“情感的动力学”,讲“天遇”——一个行星被另外星体吸引的时候,判断这个体系稳定与否要用到拉格朗日量,就是把动能减去势能。对于人来说,动能就是你的本领,势能表征异性对你的吸引,这两项之差决定这个两体体系到底能不能稳定下来。金句是:“如果我们学会看两体的问题,就知道能轻松hold住你、随便就能让你五迷三道的那个人,基本上对你不感兴趣。”

他写出了物理学界的《管锥编》

曹则贤的这些讲座迅速“出圈”,在中科院其他研究所和高校颇受欢迎。在网上也能看到他很多日常的上课视频,他与学生的互动也是生动幽默的,比如用《射雕英雄传》讲解“导师的重要性”。

如果单看这些,会觉得他好像在走“网红教授”路线,但其实并不是这样。

他对科学传播的现状不满意:“我国的科学传播才刚起步,该做的事情还很多,做法上也有许多值得商榷的地方。”“我们津津乐道的总是科学以外的东西,还热衷于凭借自己的想象给科学家的形象附加很多高尚内容……我希望科普工作能够让受众看到真正的科学、科学家和科学精神是什么。只有关于科学家的心灵鸡汤和道德情怀对于提升我国公民的科学素养可能不够,可能我们还是应该花点时间谈论科学本身”。

“在我当了物理研究员、成了教过不少名牌大学的教授多年以后,有一天猛然发现目前这个世界上可能99.99%的数学和物理知识都是我闻所未闻、见所未见的,我甚至有崩溃的感觉。”

于是,曹则贤便有了一股愿望,“写一点我知道的数学和物理与人分享,早一点告诉朋友们外面真有知识的海洋”。

于是,他陆陆续续写了《量子力学少年版》《相对论少年版》《一念非凡》《惊艳一击》《磅礴为一》。写书对他来说,“是一场抚慰之旅,抚慰那个顶着烈日一边割草一边想着算术题的少年——他刚刚在别人的书本里看到了一道民兵肩上架着机枪打飞机的几何题,那让他感到格外的新奇并因此而激动不已。今天回想起来,我16岁以前没念过书,26岁以前没念过像样的书,40岁以前没明白先哲的原著才是值得念的书。我希望我的努力,能让一些少年早早知道这世界存在先哲的原著,早早涌起阅读并弄懂先哲原著的冲动”。

他深感语言的重要性,物理、数学领域有不少学语言的天才,比如薛定谔,现在人们常把他和猫联系在一起,但其实他是把希腊文化介绍给德语文化的一位干将。“掌握不同的语言,可能会让你产生不同的思维模式。而在物理学领域,很要命的一点是,它在发展前期用的是拉丁语,中间一段时间如19世纪到20世纪初工作语言是德语,后来它的工作语言又变成英语,这门学科用不同的语言在不同时间、不同国家对不同的人表述了以后,其实已经包含了相当多的歧义,这也给我们中国人学物理带来了很大的困难和阻碍。”

有感于此,他花了12年的时间写下了四卷本《物理学咬文嚼字》,通过探究物理学词汇的起源与演化(包括歧义的产生和名词的误用)来更加深刻地掌握物理学的概念和图像,理解物理学的本质和表象,涉及英法俄德,还有希腊文拉丁语,被誉为物理学界的《管锥编》。

这样的曹则贤,将如何提笔来写《军事物理学》呢?

军事技术对物理学素养要求极高

把知识和经验投入武器研制,自人类试着磨尖木棍、石块时起就是如此了。

青铜器时代的铸剑术,其中就用到了对不同金属或合金的冶炼。火药在13世纪从中国传入欧洲,到17世纪成为战争的主要物资。年莱特兄弟发明的飞机,为战场添加了一个维度。

物理学提高了战争威力,战争也推进了物理学。抛石机引出了力学,从中发育出弹道学,有了弹道学才有今天的航天成就;空气动力学是特别难学、特别难研究的学问,很难想象如果没有军事用途,这门学问会被研究得那么深入。

热力学是最独特的一门物理学分支,比相对论、量子力学的基础更坚牢。它是关于宇宙、生命体、简单多粒子体系的学问,对理解材料学、化学、生物学和社会学来说都是指导性的学术基础。就军事而言,无论是关于人类社会形态的演化、一场大战的挑起与终结,还是关于一件武器的设计使用,热力学的角度都是看待问题的正确视角。热机的不断改进,让人类有了各种具有驱动能力的机械,今天世界上一些国家的傲慢,就是因为率先掌握了热力学才养成的。

在《军事物理学》中,曹则贤保持了旁征博引、幽默生动的叙事特点。他写道:“热量不仅来自化学燃烧,来自电加热,也可以来自非弹性碰撞。两个物体发生碰撞取决于初始速度和物体的材质,会有一部分动能转化成热能,从而可作为后继效应的触发因素。老电影《瓦尔特保卫萨拉热窝》中,两手空空的游击队员要引爆油罐车,就是让火车头爬高积聚势能,然后让火车头从高处冲下将势能转化动能,高速火车头引起的车厢之间的碰撞,进而引爆了油罐车。这里的事件链可物理地描述为势能→动能→热→燃烧。这是一个非常好的物理学知识用于战争的案例,表明提升兵员的科学知识对于赢得战争是多么重要。”

在幽默的后面,有着曹则贤的感慨:“无数的先辈为了国家民族的解放前赴后继,付出了鲜血、汗水和聪明才智。怀揣热爱和平的信念,保持强大的战争能力,绝不接受任何人强加于我们的战争,我们才有可能享受和平。”

为读者提供尽可能丰富的军事与物理学科交互的知识

读+:您为什么会写这本《军事物理学》?

曹则贤:我是一个物理学工作者,研究物理是我的本职工作。我也是一位物理学教授,教物理也是我的工作之一。在学习物理的过程中很容易注意到,军事应用本来就是物理学发展的重要驱动力。从军事应用的角度来把物理学串到一起,也是一个体会物理学、教授物理学的值得尝试的一个做法。从军事的角度阐述物理学肯定会引起很多人的

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