《茶杯里的风暴》读书笔记:从日常生活中的小事,看懂背后的物理学

By Long Luo

几年前,我在图书馆里闲逛时,在书架里发现了这本书《茶杯里的风暴》,当时阅读了其中几个感兴趣的小节,但并没有全部读完。正如这本书的副标题:用日常之物揭开万物之理,这本书从日常生活入手,带你从生活中随处可见的现象中挖掘物理学的奇妙之处。正如拥有绝对音感的人,听到的所有声音都是音阶 ,而熟悉物理的人则知道日常生活中蕴含的物理知识。具体到刚才的声音,听到声音是耳朵接收到空气分子的振动,振动传入鼓膜,经过放大,最后变成神经信号从而被大脑感知,这其中每一步都蕴含了非常丰富的物理知识。

《茶杯里的风暴》英文原版本是《Storm in a Teacup: The Physics of Everyday Life》,作者是英国女物理学家 海伦·切尔斯基( \(\textit{Helen Czerski}\) ) ,她是剑桥大学物理学博士,伦敦大学学院物理学家。

Storm In a Teacup 是英语习语,意思是“小题大做、一场小风波”,但作者又把它重新按照字面意义理解:把不重要的事情看得非常重要。就好像在只有轻微波动的天气情况下,却像遇到了巨大的风暴一样做出反应。

《茶杯里的风暴》

序章

物理定律适用于宇宙任何地方,

地球上的物理学定律适用于宇宙中的任何地方

蝎子

反光外套

对人类来说,荧光现象简直就是免费的午餐;我们本来看不到的紫外线转化成了可以利的可见光,但我们不用付出任何代价。

物体总是倾向于保持原来的运动状态,除非你对它施加外力。你可以用熟鸡蛋和生鸡蛋做个实验,生鸡蛋

人类对世界充满好奇,满足好奇心会带来极大的愉悦。要是能够亲手解开谜题,或者和别人一起走过发现之旅,你还会得到更强的满足感。

世界如此复杂,任何人都不可能完全理解所有细枝末节,但在这条道路上,基本原理是价值连城的宝贵工具,值得你随身携带。

科学不只关乎搜集事实,还涉及解决问题的逻辑推理过程。

柠檬汁会催化水果里的天然果胶,让果酱变得黏稠。而柠檬汁之所以有这种效果,是因为它是酸性的。

第1章 爆米花和火箭——气体定律

这一章主要是讲气体定律,主要是通过一些日常

理想气体状态方程为:

\[ pV = nRT = NkT \]

亦可写为

\[ \frac {pV}{T} = C \]

其中,\(p\) 为理想气体的压强,\(V\) 为理想气体的体积,\(n\) 为气体物质的量(通常是摩尔),\(R\) 为理想气体常数,\(T\) 为理想气体的热力学温度, \(k\) 为波尔兹曼常数,\(N\) 表示气体粒子数, \(C\) 为对于一定质量理想气体的常数。

玉米粒的微型高压锅

爆米花

但它们都被坚韧的外壳紧紧包裹在致密的种粒

玉米粒为什么会变成蓬松的爆米花,而没有直接把自己炸得粉身碎骨呢?

爆米花是如何制造生成的

,胚乳内部的水开始蒸发变成气体

,玉米粒内部温度上升到180℃时,内部气压差不多达到了标准大气压的10倍,凝胶看到了胜利的曙光。

坚韧的种皮破裂的瞬间,种皮内部的物质立即暴露在外部环境的压强(标准大气压)下,这些物质的体积也不

淀粉凝胶内部灼热的分子仍在左冲右突,但外面却再也没有什么东西束缚它。于是凝胶开始爆炸性膨胀,直至其内部和外部气压相等。致密的白色凝胶变成了蓬松的白色泡沫,

抹香鲸和福卡恰面包

水下10米深处的水压相当于标准大气压的2倍。在这个深度,尽管抹香鲸还能轻松看到水面上的东西(只要它愿意去看)​,它的肺仍会缩小到原来的1/2。

从演化的角度来说,抹香鲸唯一的对策是从离开海面那一刻起彻底关闭肺泡。好在它可以通过血液和肌肉中额外储备的氧气获得足够的能量。抹香鲸体内的血红蛋白浓度是人类的2倍,肌红蛋白(肌肉中储存能量的蛋白质)浓度则是人类的10倍

因此,每个气泡都会随着温度升高而增大,迫使面团向外膨胀。

风的瀑布和发泡奶油

马德堡半球和大象的鼻子

古老的蒸汽机和用来送信的火箭

能量和天气

第2章 有升必有落——重力

让葡萄干跳舞

空中坠落和海上摇摆

厨房秤、伦敦塔桥和霸王龙

鱼会打嗝吗?

蜡烛和钻石

第3章 小即是美——表面张力和黏度

咖啡渍和显微镜

偷吃奶油的蓝山雀

飞沫和肺结核

“家庭主妇”和肥皂泡

泳镜上的雾

毛巾和巨型红杉

第4章 时光中的一瞬——走向平衡

番茄酱和蜗牛

极快和极慢

船闸和大坝

晃动的茶水和喘息的狗

墨西哥城和台北101大厦

第5章 涟漪的故事——从水波到无线网络

浪花

银色鲱鱼和杯中硬币

大海的颜色、雷电和烤面包机

海豚和“泰坦尼克号”

灯光密码

温室效应和地球

珍珠和手机通信

第6章 鸭子为什么不会脚冷——原子之舞

盐和糖的真面目

花粉和爱因斯坦

湿衣服和煎奶酪

海冰和“前进号”

冰块、玻璃和体温计

鸭子的绝活

滚烫的勺子和冰冷的食物

第7章 勺子、旋涡和“伴侣号”——旋转定律

旋转中的稀奇事

自行车和弯道飞行

离心机和宇航员

飞饼和地球自转

投石车和人造卫星

掉落的面包和旋转游戏

四季更迭和飞轮储能

第8章 异性相吸——电与磁

磁的魔法

静电和蜜蜂

鸭嘴兽和海上电池

热茶水和电流

祖父的盒子和一段科学史

又是烤面包机

指南针和大陆漂移

最后一块拼图

第9章 不同的视角

人体

地球

文明

致谢

参考文献

  1. Helen Czerski
  2. Helen Czerski Home Page
  3. 《茶杯里的风暴 用日常之物揭开万物之理》
  4. Storm in a Tea Cup: Definition, Meaning, and Origin