外面风大,会产生严重的空气阻力干扰,实验最好在室内进行。
好在现在的石头屋被他扩建到了十五平米,高度也有两米多,空间足够。
他搬来石块垫脚,把尼龙伞绳的一端牢牢绑在屋顶那一排作为承重梁的粗钢筋上。
绳子的另一端,他用绳结将矿石绑紧。
接着用卷尺小心翼翼地测量长度。
从钢筋的悬挂点,一直拉到矿石的重心位置。
“98.5厘米,不行,凑个整数好算。”
他微微调整绳结,反复测量了三次,确保悬点到重心的距离L,精确地控制在1.00米附近。
至于秒表,江临拿出旧手机,打开秒表App。
“呼,准备就绪。”
江临站在石桌旁,深吸了一口气。
单摆周期公式他早就烂熟于心:
t=2π√(L/g)。
周期 t 等于2乘以圆周率π,再乘以摆长 L 除以重力加速度g的平方根。
反推过来,只要他测出摆动周期t,就能算出这颗废土星球的重力加速度:
g=4π2L/t2。
江临手轻轻拉起那块金属矿石。
为了满足简谐运动的近似条件,摆角不能太大,他估算了一下,把拉开的角度控制在5度以内。
他没有站在最低点计数。
最低点固然容易观察,但摆锤每一次经过最低点,间隔只有半个周期。
如果把每次经过最低点都当成一次完整振动,算出来的数据会直接错掉一倍。
所以他选择了更笨也更稳的方法。
从左侧释放点开始计时。
他最开始想从左侧最高点计时,但很快又否定了这个办法。
最高点看似好认,可摆锤在那里速度最慢,人眼判断反而容易犹豫。
最稳的方法,是盯住摆锤同向通过最低点的瞬间。
每一次从左向右穿过最低点,才算一个完整周期。
“三、二、一,放。”
金属矿石在重力的拉扯下,划出一道微小的弧线,向下坠落,越过最低点,然后向右侧荡去,到达最高点后,再次折返。
一来一回。
回到左侧。
这才是一次完整的全振动。
江临的眼睛紧紧盯着摆锤每次回到最低点的瞬间,精神高度集中。
“二十八。”
“二十九。”
“三十。”
当摆锤第30次回到最低点时,江临果断按下停止键。
他看了一眼屏幕上的数字:
60.25秒。
除以30,平均每一次完整摆动的周期 t 大约是2.008秒。
江临知道孤证不立的道理,没有急着计算。
他活动了一下有些僵硬的肩膀,再次拉起摆锤。
同样的动作,他连续做了五组。
五组数据分别是:
60.25秒。
60.18秒。
60.31秒。
60.22秒。
60.28秒。
把这五组数据加起来求平均值,30次完整振动的平均时间是60.248秒。
那么单次振动的周期:
t=2.0083秒。
拿到数据后,江临把矿石随手放在地上,转身一屁股坐回石桌前,抓起Lcd可擦写板。
开始计算。
L=1.00米。
t=2.0083秒。
π取3.。
g=(4x3.x1.00)/(2.00832)。
g≈39.4784/4.0333。
g≈9.788s2。
江临盯着这个数字看了很久,随后又把后面的几位小数划掉。
不能写得太漂亮。
卷尺不够精密,绳子会有微小伸长,矿石不是理想质点,悬点也不是无摩擦,手机秒表还带着人的反应误差。
在这种实验条件下,写出9.788这种数字,不叫严谨。
那叫假精确。
他最后只在记录本上写下。
【g≈9.79s2,误差约在百分之一量级。】
这个结果,可以说和地球的重力加速度高度一致。
江临看着板子上的数字,感觉后背升起一股奇异的酥麻感。
这股酥麻感顺着脊椎直冲后脑勺,让他忍不住打了个寒颤。
这种震撼,远比做对一百道物理题来得强烈。
他站起身,再次走到门外。
看着满地的红土,看着远处灰黑色的废墟,看着干涸的河床。
这里的风景和地球完全不同。
这里没有生机,空气里飘着硫磺味,天空永远是暗红色的。
但在这一刻,江临觉得这片荒原变得无比亲切。
“至少在这个尺度上,重力很像地球。”
他说得很慢。
他没有再像前几年那样,急着把一句话推到无限远。
一次简陋的单摆实验,只能说明本地重力加速度接近地球。
它不能证明这个世界的一切物理常数都和地球完全相同。
更不能证明整个宇宙的底层规律没有任何差异。
但这已经足够重要了。
苹果在这里,至少会以近似9.8米每二次方秒的加速度砸下来。
这意味着他硬盘里的绝大多数经典力学知识,在这里依然可以使用。
这意味着废土再怎么荒凉,再怎么神秘,它也不是一个由魔法或者怪力乱神随意支配的奇幻空间。
它是一个可以被测量的世界。
只要可以测量,就可以比较。
只要可以比较,就可以建模。
只要可以建模,就可以认知。
这是江临在废土上做的第一个真正意义上的物理实验。
简陋而又粗糙。
但他第一次真正理解了,为什么大学的《普通物理学》会把实验与测量放在如此重要的位置。
物理学不是从黑板上的公式里变出来的。
它是从对真实世界的测量中生长出来的。
每一次测量,即使带着巨大的误差,也是人类在试图用理性的语言,去和宇宙进行对话。
他在自己的纸质笔记本上,珍重地翻开新的一页,在顶端写下四个字。
【废土实验】。
他把单摆实验的时间、地点、使用材料、原始数据、计算过程,以及误差分析,详详细细地记录了下来。
在这一页的最下方,他写下了这样一段作为总结的话。
【第四次废土历第六年,测定本地重力加速度约为9.79s2。】
【误差较大,但足以说明:在本地地表附近,重力加速度与地球接近。】
【结合此前长期生活经验,低速宏观尺度下的经典力学模型,暂可继续使用。】
写完这几句,江临把笔放下。
他看了很久。
然后轻轻吐出一口气。
之后,江临进入热学部分的验尸。
这部分他在高中学得最糊涂。
什么理想气体状态方程。
什么热力学第一定律。
什么内能,什么温度,什么压强。
高中的时候,他一直不明白,为什么宏观的气体压强和温度,能用几个简单的字母组合起来。
前几年在废土,他学到这里也是囫囵吞枣。
但大学物理把统计力学的大门向他敞开后,一切都不一样了。
压强是什么?
不是一个抽象概念。
而是无数个微观气体分子,像无头苍蝇一样疯狂撞击容器壁,传递动量之后产生的宏观平均效果。
温度是什么?
是大量气体分子无规则热运动平均动能的标志。
江临在Lcd板上画了一个巨大的方盒子,里面画了无数个代表气体分子的小圆点。
他顺着教材的思路,从一个单分子的碰撞开始算起。
算它撞击墙壁交出的动量。
算它在两面墙之间往返的时间。
然后引入概率密度函数,用微积分把无数个分子的碰撞效果叠加起来。
推导到最后,那个熟悉的状态方程赫然出现在纸上。
江临停下笔,感觉脑子有点发热。
他从微观的单个粒子运动,利用统计规律和微积分,硬生生推导出了宏观的压强。
宏观与微观,在统计规律的桥梁上完成了会师。
这就是物理学的魅力。
用最基础的微观假设,推演出整个宏观世界的表现。
但真正让江临沉默下来的,不是理想气体状态方程。
而是热力学第二定律。
熵。
这个字第一次出现在教材上时,他只觉得抽象,觉得它像某种为了折磨学生而发明出来的概念。
可当他真正读懂“孤立系统的熵不会自发减少”时,江临忽然抬起头,看向石屋外那片荒原。
废土就是熵增。
墙体会风化,钢铁会锈蚀,木头会腐烂,沟渠会淤塞,农田会板结,秩序会在风沙、酸雨、冷热循环和时间里一点点散掉。
他过去几年做
好在现在的石头屋被他扩建到了十五平米,高度也有两米多,空间足够。
他搬来石块垫脚,把尼龙伞绳的一端牢牢绑在屋顶那一排作为承重梁的粗钢筋上。
绳子的另一端,他用绳结将矿石绑紧。
接着用卷尺小心翼翼地测量长度。
从钢筋的悬挂点,一直拉到矿石的重心位置。
“98.5厘米,不行,凑个整数好算。”
他微微调整绳结,反复测量了三次,确保悬点到重心的距离L,精确地控制在1.00米附近。
至于秒表,江临拿出旧手机,打开秒表App。
“呼,准备就绪。”
江临站在石桌旁,深吸了一口气。
单摆周期公式他早就烂熟于心:
t=2π√(L/g)。
周期 t 等于2乘以圆周率π,再乘以摆长 L 除以重力加速度g的平方根。
反推过来,只要他测出摆动周期t,就能算出这颗废土星球的重力加速度:
g=4π2L/t2。
江临手轻轻拉起那块金属矿石。
为了满足简谐运动的近似条件,摆角不能太大,他估算了一下,把拉开的角度控制在5度以内。
他没有站在最低点计数。
最低点固然容易观察,但摆锤每一次经过最低点,间隔只有半个周期。
如果把每次经过最低点都当成一次完整振动,算出来的数据会直接错掉一倍。
所以他选择了更笨也更稳的方法。
从左侧释放点开始计时。
他最开始想从左侧最高点计时,但很快又否定了这个办法。
最高点看似好认,可摆锤在那里速度最慢,人眼判断反而容易犹豫。
最稳的方法,是盯住摆锤同向通过最低点的瞬间。
每一次从左向右穿过最低点,才算一个完整周期。
“三、二、一,放。”
金属矿石在重力的拉扯下,划出一道微小的弧线,向下坠落,越过最低点,然后向右侧荡去,到达最高点后,再次折返。
一来一回。
回到左侧。
这才是一次完整的全振动。
江临的眼睛紧紧盯着摆锤每次回到最低点的瞬间,精神高度集中。
“二十八。”
“二十九。”
“三十。”
当摆锤第30次回到最低点时,江临果断按下停止键。
他看了一眼屏幕上的数字:
60.25秒。
除以30,平均每一次完整摆动的周期 t 大约是2.008秒。
江临知道孤证不立的道理,没有急着计算。
他活动了一下有些僵硬的肩膀,再次拉起摆锤。
同样的动作,他连续做了五组。
五组数据分别是:
60.25秒。
60.18秒。
60.31秒。
60.22秒。
60.28秒。
把这五组数据加起来求平均值,30次完整振动的平均时间是60.248秒。
那么单次振动的周期:
t=2.0083秒。
拿到数据后,江临把矿石随手放在地上,转身一屁股坐回石桌前,抓起Lcd可擦写板。
开始计算。
L=1.00米。
t=2.0083秒。
π取3.。
g=(4x3.x1.00)/(2.00832)。
g≈39.4784/4.0333。
g≈9.788s2。
江临盯着这个数字看了很久,随后又把后面的几位小数划掉。
不能写得太漂亮。
卷尺不够精密,绳子会有微小伸长,矿石不是理想质点,悬点也不是无摩擦,手机秒表还带着人的反应误差。
在这种实验条件下,写出9.788这种数字,不叫严谨。
那叫假精确。
他最后只在记录本上写下。
【g≈9.79s2,误差约在百分之一量级。】
这个结果,可以说和地球的重力加速度高度一致。
江临看着板子上的数字,感觉后背升起一股奇异的酥麻感。
这股酥麻感顺着脊椎直冲后脑勺,让他忍不住打了个寒颤。
这种震撼,远比做对一百道物理题来得强烈。
他站起身,再次走到门外。
看着满地的红土,看着远处灰黑色的废墟,看着干涸的河床。
这里的风景和地球完全不同。
这里没有生机,空气里飘着硫磺味,天空永远是暗红色的。
但在这一刻,江临觉得这片荒原变得无比亲切。
“至少在这个尺度上,重力很像地球。”
他说得很慢。
他没有再像前几年那样,急着把一句话推到无限远。
一次简陋的单摆实验,只能说明本地重力加速度接近地球。
它不能证明这个世界的一切物理常数都和地球完全相同。
更不能证明整个宇宙的底层规律没有任何差异。
但这已经足够重要了。
苹果在这里,至少会以近似9.8米每二次方秒的加速度砸下来。
这意味着他硬盘里的绝大多数经典力学知识,在这里依然可以使用。
这意味着废土再怎么荒凉,再怎么神秘,它也不是一个由魔法或者怪力乱神随意支配的奇幻空间。
它是一个可以被测量的世界。
只要可以测量,就可以比较。
只要可以比较,就可以建模。
只要可以建模,就可以认知。
这是江临在废土上做的第一个真正意义上的物理实验。
简陋而又粗糙。
但他第一次真正理解了,为什么大学的《普通物理学》会把实验与测量放在如此重要的位置。
物理学不是从黑板上的公式里变出来的。
它是从对真实世界的测量中生长出来的。
每一次测量,即使带着巨大的误差,也是人类在试图用理性的语言,去和宇宙进行对话。
他在自己的纸质笔记本上,珍重地翻开新的一页,在顶端写下四个字。
【废土实验】。
他把单摆实验的时间、地点、使用材料、原始数据、计算过程,以及误差分析,详详细细地记录了下来。
在这一页的最下方,他写下了这样一段作为总结的话。
【第四次废土历第六年,测定本地重力加速度约为9.79s2。】
【误差较大,但足以说明:在本地地表附近,重力加速度与地球接近。】
【结合此前长期生活经验,低速宏观尺度下的经典力学模型,暂可继续使用。】
写完这几句,江临把笔放下。
他看了很久。
然后轻轻吐出一口气。
之后,江临进入热学部分的验尸。
这部分他在高中学得最糊涂。
什么理想气体状态方程。
什么热力学第一定律。
什么内能,什么温度,什么压强。
高中的时候,他一直不明白,为什么宏观的气体压强和温度,能用几个简单的字母组合起来。
前几年在废土,他学到这里也是囫囵吞枣。
但大学物理把统计力学的大门向他敞开后,一切都不一样了。
压强是什么?
不是一个抽象概念。
而是无数个微观气体分子,像无头苍蝇一样疯狂撞击容器壁,传递动量之后产生的宏观平均效果。
温度是什么?
是大量气体分子无规则热运动平均动能的标志。
江临在Lcd板上画了一个巨大的方盒子,里面画了无数个代表气体分子的小圆点。
他顺着教材的思路,从一个单分子的碰撞开始算起。
算它撞击墙壁交出的动量。
算它在两面墙之间往返的时间。
然后引入概率密度函数,用微积分把无数个分子的碰撞效果叠加起来。
推导到最后,那个熟悉的状态方程赫然出现在纸上。
江临停下笔,感觉脑子有点发热。
他从微观的单个粒子运动,利用统计规律和微积分,硬生生推导出了宏观的压强。
宏观与微观,在统计规律的桥梁上完成了会师。
这就是物理学的魅力。
用最基础的微观假设,推演出整个宏观世界的表现。
但真正让江临沉默下来的,不是理想气体状态方程。
而是热力学第二定律。
熵。
这个字第一次出现在教材上时,他只觉得抽象,觉得它像某种为了折磨学生而发明出来的概念。
可当他真正读懂“孤立系统的熵不会自发减少”时,江临忽然抬起头,看向石屋外那片荒原。
废土就是熵增。
墙体会风化,钢铁会锈蚀,木头会腐烂,沟渠会淤塞,农田会板结,秩序会在风沙、酸雨、冷热循环和时间里一点点散掉。
他过去几年做