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《张朝阳的物理课》线下第二课开讲介绍经典波动方程与声速的计算

来源：中国网科技 2022-04-09 18:22:10

4月8日，《张朝阳的物理课》线下第二课开讲，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学爱好者们一起探讨物理的奥秘。

本次线下课，张朝阳讲解了经典波动方程的推导与声速的计算，之后又与现场同学交流探讨了太阳内部的核反应、太阳寿命的估算，以及宇宙大爆炸理论的两个实验证据等物理问题。

课堂上，张朝阳首先介绍了琴弦振动方程的推导，还简短地讨论了两端固定的琴弦的波动方程。它本质上是一个边值问题，需要利用傅里叶级数展开的方法来求解，展开的每一项都是满足边界条件的一个模式。

在声波方程的推导中，为了突出基本原理而避免陷入太琐碎的数学细节，本次课程只考虑了一维的情形，并且作了和琴弦类似的假设。

张朝阳介绍，声波是密度波，是一种纵波，质点的振动方向与传播方向平行，因此不像琴弦振动那样直观。不过，声波方程在数学推导上与琴弦的波动方程是比较类似的。

张朝阳说，波动方程的出发点仅仅是牛顿第二运动定律，再考虑理想气体物态方程，就可以得到与实验值非常接近的计算值，不得不说计算的力量是强大的。

在课程后半段的互动环节，有同学提问关于太阳寿命的问题，于是张朝阳对太阳的能量来源以及如何估算太阳寿命进行了解答。

对于现场同学们感兴趣的宇宙大爆炸问题，张朝阳介绍了支持宇宙大爆炸理论的两个观测证据，分别是哈勃红移和微波背景辐射。

哈勃当年观测了很多恒星的频移，发现绝大部分都是红移，而且恒星远离地球的速度与恒星相对地球的距离成正比。尽管哈勃发现宇宙膨胀在先、大爆炸理论提出在后，然而从逻辑上来看，哈勃红移是大爆炸理论的一个结果，因此可以作为大爆炸理论的一个实验证据。

根据大爆炸的理论模型，宇宙从最初的极高温，经过膨胀而不断冷却，最后变成了现在这个样子。期间，物质的形成也是由宇宙温度降低所导致的。当宇宙温度降低时，夸克这些粒子会禁闭成重子。大部分重子是不稳定的，最后会变成质子和中子。中子寿命比较长，会衰变成质子和电子，外加一个反中微子。

不过这个过程是可逆的，最终会形成平衡，导致有一个不为零的中子丰度。当温度继续降低，直到光子能量不足以打破原子核时，这些中子、质子将会通过核聚变成为稳定的原子核，这个过程被称为“原初核合成”。但是因为温度依然很高，物质以离子形态存在，光子和这些带电粒子存在相互作用，从而导致宇宙是“不透明”的。

到了大约38万年的时候，温度已经进一步下降，电子与原子核开始结合成原子，并会释放出光子，这时候宇宙中的粒子大部分都是电中性的了，光子可以在宇宙中几乎畅通无阻。这个时期就是光退耦时期，光子不再与物质有大量的热交换，而主要以黑体辐射的形式存在，随着宇宙膨胀其温度不断下降。直到今天，这部分光子，也就是目前所说的微波背景辐射，对应的等效黑体温度大约为2.7开尔文。

介绍完黑体辐射的形成，张朝阳还根据黑体辐射的性质计算了微波背景辐射的峰值频率，约为168 GHz。与哈勃红移一样，微波背景辐射的发现也比大爆炸的理论提出要早，不过同样可以将微波背景辐射看作是大爆炸理论的实验证据。

据了解，《张朝阳的物理课》于每周周五、周日12时在搜狐视频直播，网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”，观看直播及往期完整视频回放。