魔鬼物理学．1，隐藏在日常生活背后的物理学知识(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：（美）詹姆斯·卡卡里奥斯

出版社：中信出版社

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魔鬼物理学．1，隐藏在日常生活背后的物理学知识试读：

献给杰夫·纳什和卡米尔·纳什，以及奥古斯塔·彼得森；

感谢你们让我看到，平凡的每一天也可以过得不平凡。第1章起床啦！

清晨，你在床上睡觉。你的呼吸均匀有规律，你的脉搏平稳，这两种节奏标志着时间正悄然流逝。很快，你就要起床开始新的一天了。今天将是忙碌的一天，你先要去医生那里就诊，然后还要乘飞机去另一个城市做商业报告。你的墙上挂着一个旧时钟，那是祖母送给你的礼物。钟摆有节律地来回摆动，同时发出令人安心的嘀嗒声。虽然墙上的这面时钟已经有很好的计时功能了，但你还是需要智能手机上的闹钟来叫你起床。然而，在这新的一天中，你的第一种感觉并不是来自听觉，而是来自嗅觉。昨天晚上，你提前把咖啡机的数字计时器设定好，因此，在智能手机的闹钟铃响之前10分钟，这台咖啡机已经自动开始为你制作咖啡了。你的房间里充满了新鲜咖啡的香味，你慢慢醒来，准备起床。

不管是墙上的时钟，还是咖啡机中的数字计时器，都依赖于一种十分优雅的机械运动——摆锤振荡。在你准备开始新的一天的过程中，你会用到许多电器和设备，而如果没有摆锤振荡，这些电器和设备都将无法工作。

摆锤是一种非常简单的机械装置，它的主要部件是一根弹簧，弹簧的一端是固定的，另一端则悬着一个重物，我们称这个重物为“摆球”。当摆球振荡的时候，我们就能够直观地看到物理学中最重要的原理之一——能量守恒定律。随着摆球的振荡，动能（物体做机械运动产生的能量）会被转化为势能（取决于作用于物体上的力，以及这个力能够使物体移动的距离），然后势能又被转化为动能，如此不断循环。要想让摆球振荡起来，你首先要将摆球拉高，以此来增加摆球的势能，在这个过程中，你克服重力做功，然后重力会将摆球拉回较低的位置。随着摆球因重力下落，摆球将沿着半圆弧的轨迹运动，摆球的势能被转化为动能。而当摆球到达最高点时，这种动能又再次被转化为势能。如果你释放摆球且不再推动它，那么摆球将永远也回不到起始点的高度。

摆球可以被用来计时。在摆球振荡的过程中，它完成一个完整周期所用的时间与摆球的质量无关，也与摆球开始下落那一点的高度无关。摆球开始下落的点越高，它运动时划过的圆弧轨迹就会越长，它在最低点处所具有的动能越大，速度也会越快。摆球运动距离的增加和速度的增加正好相互抵消，因此不管你把摆球拉到多高，它完成一个振荡周期所用的时间都是不变的。影响摆球运动周期的唯一因素是弹簧的长度。如果一个摆锤的弹簧长度恰好比10英寸短一点儿，那么这个摆锤完成一个完整的运动周期所需要的时间就约为1秒钟。随着摆球发生振荡，摆球上的部分动能转移到了周围的空气中，因为在振荡的过程中，摆球必须推开“挡路”的空气分子。如果进行仔细分析，我们就会发现，空气获得的动能正好等于摆球损失的能量。因为这种空气阻力的存在，所以所有的机械钟（不管是老式机械钟还是其他机械钟）都必须定期上发条才能继续运转。

咖啡机中的数字计时器与机械摆锤一样，要想度量时间的流逝，不仅要有能量来源（因为做任何事情都需要能量，包括读秒这样简单的活动也不例外），还需要把能量转化成周期性变化的方式。要想让咖啡机中的计时器工作，你必须先把咖啡机的插头插入电源插座，这样咖啡机就与一个外部电网连接在一起了。发电厂发出的电可以自动为摆锤振荡提供电流，因此我们才可以十分方便地使用咖啡机中的数字计时器。

电力公司让线圈在巨大的磁极之间转动，就产生了交流电。抛开复杂的发电过程不谈，我们还是回到简单的机械摆锤上来。现在，我们让弹簧一端的摆球带上一点儿电荷，比如，我们让这个摆球带几个电子。在这种情况下，即使这个摆锤的支点没有任何摩擦，且它在真空环境中振荡（也就是说没有任何空气阻力），它的振荡速度仍然会逐渐变慢，并且最终会完全停止运动。那么，摆球的能量去哪里了呢？答案是：摆球的能量变成了电磁波。这种现象说明，电场和磁场之间具有一种十分广泛的对称性，在你每天的生活中，你会不停地用到这种对称性。

电荷的运动形成电流。随着带电摆球左右摇摆，电流也在不断地变化。当摆球运动至圆弧轨道的最低点时，摆球的速度最快，电流也最强；而当摆球运动至圆弧轨道的最高点时，摆球的速度为零，电流也为零（见图1）。电荷的运动不但会产生电流，还会产生磁场（安培定律）。电荷的运动速度越快，所产生的磁场强度也越大。于是，摆球在左右摇摆的过程中创造出不断变化的电流，也产生了一个随电流一起变化的磁场（法拉第定律），这个变化的磁场又产生了一个变化的电场。电场和磁场的有规律振荡被称为电磁波，其频率和摆球的振荡频率相同。电磁波携带着能量，所以产生电磁波需要消耗能量。因此，上文谈到的带电摆球最后会逐渐停止运动，因为摆球的动能转化成了电磁波的能量。如果这个摆球左右摇摆的速度足够快（比如频15率达到每秒10次），我们就可以用肉眼观察到它发出的电磁波。在这种情况下，电磁波会以可见光的形式出现。

事实上，电力公司在发电的时候就用到了这种通过周期性振荡来产生电磁波的物理学原理。电力公司把线圈放入磁极之间并使之转动，从而产生交流电，再把电输送到千家万户墙上的电源插座之中。电力公司输送到千家万户的电具有这样的属性：电压随着时间平滑地变化，从正电压变成负电压，再从负电压变回正电压，如此不断循环。从数学上看，这种波的形式与摆球振荡所形成的波是一样的。（因此，我们使用的电被称为交流电。）电力公司输出的交流电之所以具有这样的特征，是由发电过程决定的。发电厂运用的物理定律被称为法拉第定律，法拉第定律描述了变化的磁场如何产生电流。随着线圈的旋转，线圈内的圆形磁场也在不断发生变化，于是就产生了电流。把线圈想象成直径较大的一轴线，当线圈面向磁极时，大部分磁感线穿过线圈，而当线圈旋转90度后，则几乎没有任何磁感线能够穿过线圈。因此，当线圈匀速旋转的时候，就会产生一个随时间均匀变化的电流，这个电流与摆球左右振荡所产生的电流是一样的。在美国，发电厂的线圈每秒旋转60次，因此，我们所使用的交流电的频率也是每秒60次。图1

图1描绘的是一个带正电的摆球左右振荡的过程。（a）当摆球处于左侧最高点的时候，摆球的动能为零，势能达到最大值，电流为零（因为电荷的运动速度为零）。（b）当摆球运动到最低点时，摆球的动能最大，势能为零，电流达到最大值，电流方向朝右。（c）当摆球处于右侧最高点时，摆球的动能为零，势能再次达到最大值，电流为零。（d）当摆球向左运动至右侧半弧的中间位置时，摆球具有一定的动能，也具有一定的势能，电流方向向左。此时的电流强度是变化的，因为电荷的运动速度正在加大，电流的运动方向也在变化。

来自墙上的电源插座中的电压每秒变化60次，也就是说，完成一个完整的周期只需要0.016 7秒。然而，咖啡机中的数字计时器却不需要这么高频的电压变化。为了让电压变化的频率慢下来，计时器会使用一种专门设计的芯片，这种芯片的功能相当于收音机中的调频器。第一块芯片将输入信号的频率变成原来的1/10，当电压通过这块芯片时，频率就从原来的每秒60次降至每秒6次。然后，第二块芯片又将电压的振荡频率变成原来的1/6，于是刚才产生的每秒振荡6次的频率又被进一步降低，变为每秒振荡1次。接着，信号被送到第三块芯片处，这块芯片的功能是计算达到最大正电压值的次数（这相当于计算摆球再次回到起始点的次数）。事实上，这第三块芯片起到了读秒的作用。然后，再通过一些简单的电路系统，我们就可以把这个信息显示在一个数字时钟上。当你设置咖啡机中的数字计时器时，事实上你是在命令一块芯片开始读秒，当芯片记录的秒数达到一个事先设定好的数值时，计时器就会向咖啡机电路的其他部分发出一个电压信号。这个电压信号与你将咖啡机的开关拨到“开”时产生的电压信号完全一样。因此，收到这个电压信号的咖啡机就会开始工作，为你煮制咖啡。

我们将咖啡机连接上电源，并设定好时间，上述计时系统就开始工作。如果咖啡机没有与电源连接，这些设置信息就会丢失。那么，如果数字计时器未与墙上的交流电电源相连，它又是怎样工作的呢？

当咖啡的气味飘入你的卧室时，你虽然尚未完全苏醒，却也感知到了这种怡人的香味。在前一天晚上，你不仅设定了咖啡机的计时器，还设定了智能手机上的闹钟功能，以确保自己可以按时起床。到了你设定的起床时间，你的智能手机便会播放一段旋律，这段音乐存储于手机的记忆芯片上。听到闹铃声以后，你一边拿起手机看时间，一边发出抱怨的声音，因为今天你起床的时间比平时要早。你很想点击手机屏幕上的“贪睡”键再睡一会儿，但是，今天不行了。你一边闻着咖啡的香气，一边看着卧室角落里的行李箱，这是你昨晚收拾好的。你告诉自己今天将会是漫长的一天，并不情愿地离开了舒适的床铺。你把双脚放到地上，然后站了起来，当你的体重压在左脚上时，你因为疼痛而微微地缩了一下脚。你想，今天该去医生那里检查一下左脚了。

怎样才能让一个未连接电源的设备保持计时功能呢？这是一个古老的问题。事实上，早在人类发明电这种能源之前，这个问题就已经存在了。老式闹钟使用弹簧来解决这个问题，当钟面上的指针运动到一个特定的位置时，一根杠杆就会被弹起，释放此前处于压缩状态的弹簧，一根敲击棒会在两个金属壳之间来回振动，发出刺耳的声响。和老式闹钟相比，你的智能手机中的闹钟体积更小，铃声也不那么刺耳，但从工作原理上来说，智能手机的闹钟和老式闹钟是一样的。

智能手机用压电晶体取代了老式闹钟中的机械弹簧。但是，我们是先有了简单的弹簧系统，然后才发明了压电晶体的技术。

弹簧是一种非常好的计时工具。如果你把弹簧的一端固定在天花板上，然后在弹簧的另一端挂上一个重物，重物就会将这个弹簧向下拉伸。而被拉伸的弹簧又会产生一个向上的回弹力，阻止弹簧被进一步拉长，并且平衡了重物的重力对弹簧的下拉力。假如你用手将重物稍稍向下拉，再松开手，那么在你放手的一瞬间，向上的回弹力就会大于向下的重力（因为弹簧被拉伸的幅度越大，所产生的回弹力就越大），重物就会向上运动，并且弹到比初始点更高的位置。当重物的位置高于初始点时，弹簧被压缩，并产生一个向下的推力，这种推力阻止弹簧被进一步压缩，并将重物推回初始的位置。就这样，连接在弹簧上的重物上下振荡，做周期运动。这种运动与摆球的左右振荡或者交流电的周期性变化是一样的。弹簧振荡的自然周期取决于弹簧的弹性系数以及重物的质量。我们这里所说的弹簧不一定要像玩具弹簧那样美观，只要把金属紧紧地缠成一卷，就可以制成一个弹簧。这种弹簧同样可以周期性地伸缩，比如腕表中的弹簧就属于这种类型。

老式闹钟中的弹簧在被拉伸或压缩的时候会产生一种力来对抗它所受到的拉伸力或者压缩力，这种力的来源和智能手机中压电晶体产生的力的来源是一样的，都来自于电。在所有固体物质中，物质的原子都是靠电力才聚拢在一起的。也正是因为这些电力的存在，才能保证每个原子都待在属于它的特定位置上。如果固体中的两个相邻原子靠得过近，这两个原子的电子之间就会产生排斥力，从而拉开这两个原子之间的距离。我们可以把晶体中的每个原子想象成一个简单的球体，而让这些原子保持在特定位置上的化学键则相当于一根两端各连接着一个原子的弹簧。如果我们把晶体中的一个原子推离它的位置，该原子周围的电子就会与某一侧的“邻居”过于靠近，而与另一侧的“邻居”过于疏远。这样的位置变化会破坏力的平衡，而这种不平衡最终又会将原子推回平衡的位置。随着晶体中的原子回到自然的平衡位置，也会达到力的平衡。然而，由于动能的存在，在回归原位的过程中，这个原子会“跑过头”，变得过于靠近另一侧的相邻原子。因此，这个原子会在平衡位置附近发生振动。振动的幅度取决于晶体的温度，振动的频率则取决于原子的质量和化学键的弹性。在所有的固体中，都会发生上述原子振动的过程，这些固体包括我写的这本书、你现在坐的椅子，甚至包括你自己。

数字计时器（比如电子腕表或者智能手机）是靠一种特殊的振子——石英晶体来完成计时功能的，它比弹簧振子的精度高得多。石英是一种由二氧化硅分子构成的固体物质，我们常见的沙子的化学成分就是石英。如果这些二氧化硅分子随机排列，所形成的固体就是玻璃；如果这些二氧化硅分子周期性地有序排列，所形成的固体就是石英。石英晶体具有一种特殊的性质：朝同一个方向挤压石英时，它内部的所有电荷就会排成一行，沿着固体的长边形成一个净电场。具有这种性质的材料被称为压电体（piezoelectric），其中“piezo”在希腊语中意为“挤压”。所谓压电体，是指在被挤压时会产生电势的固体材料。要想让压电体产生电势，原子离开平衡位置的距离必须大于原子自然振动的幅度。对于某些种类的材料和晶体结构而言，当固体的两侧被挤压到一起时，所有原子会正好处于合适的位置，从而产生一个很大的净电场。

然而，要想用压电体达到计时的目的，我们必须反向操作上述过程。也就是说，我们对固体施加一个电压，使得晶体的两侧就像受到外力的作用一样被挤压到一起。一旦停止施加这个电压，晶体就会反弹舒张，并开始以自然频率振荡。振荡频率取决于晶体的形状和大小，其范围很广，可能低至每秒钟几千次，也可能高达每秒钟数亿次。石英晶体的振荡会产生相应的电压，电压的频率与石英晶体的自然振荡频率一致。我们可以反过来用这种电压让石英晶体保持振荡状态。降频芯片可以把石英晶体的高频振荡变成每秒一次的周期性振荡，和上文中提到的咖啡机中的计时器一样。一旦达到设定的时间，系统就会向另一个芯片发送一个电压信号。在咖啡机中，只要第二块芯片收到这个信号，咖啡机就会开始工作；在智能手机中，只要第二块芯片收到这个信号，手机就会开始播放闹铃音乐。

对于一部智能手机而言，计时功能非常重要，这种功能不仅体现在闹钟这项应用上。对于计算机而言（在我们的讨论中，我们可以把智能手机看成一台小型计算机），它执行任何一个程序都要求在特定的时间内完成。计算机程序就像音乐，有开始时间和结束时间。和演奏音乐一样，计算机程序要想达到理想的效果，就必须以恰当的顺序演奏各个“音符”。也就是说，每个“音符”都必须在正确的时间点上出现。一个交响乐团要想演出成功，就必须有一位好的指挥家来控制节奏。比如，这位指挥家必须保证管乐器不会在弦乐器还在准备之时就开始演奏第四乐章。在一台计算机中，有数百万个晶体管、逻辑元件以及存储元件，这些部件都必须按正确的顺序运行。在计算机中，扮演乐队指挥角色的是一块名为“中央处理器”（CPU）的芯片。在晶体振子的帮助下，CPU负责控制整个“乐队”的节奏，但这个乐队的节奏非常快，因为CPU要负责协调大量开关时间不足一纳秒的元件。

洗漱更衣后，你从床头柜上拿起自己的智能手机，走进厨房。你从冰箱中取出面包圈和黄油，把它们放在台面上解冻。此时，你习惯收听播客节目，于是你开始播放手机中早已下载好的节目。今天你收听的节目内容是关于一些著名的小提琴制造匠人，他们是和斯特拉迪瓦里同时代的人。这个节目不仅介绍了这些匠人的生平，还播放了一些用他们制造的名琴演奏的古典音乐片段。为了更好地欣赏这些音乐片段，你把智能手机与厨房台面上的两个扬声器相连。这两个扬声器虽然体积不大，却是质量上乘的高级货。

要想播放播客节目或者存储于手机中的任何音乐文件，你的智能手机必须完成一项基本任务，那就是把数字代码转化为声波，声波实际表现为空气密度的变化（空气密度的变化会造成压力的变化）。早在电子时代来临之前，人类就已经知道如何存储音乐了：靠发条驱动的音乐盒可以播放一首乐曲的一小段，自动钢琴则能演奏整首曲目。虽然音乐盒、自动钢琴以及智能手机三者存储信息的方式存在很大差别，但这三种装置却有一个共同的特点：为了让人们听到音乐，它们必须让空气发生振动。

在一台自动钢琴中，有一套内部装置可以自动决定哪些琴键何时应该被按下。这套装置的核心是一卷纸，在这卷纸上有许多孔，孔的位置分布是经过精心设计的。而在一台MP3播放器中，则由一组数字指令来执行自动钢琴中打孔纸卷的功能。在自动钢琴中，纸卷上有孔的地方以及孔之间的距离组成了一段程序，钢琴中的装置能够解读并且运行这个程序，从而演奏出特定的乐曲。在智能手机中，手机存储的数字信息实质上也是一段程序。当智能手机以特定的方式阅读并执行这段程序时，就能够产生一组特定的电压信号。这种电压的变化由智能手机发送给扬声器，扬声器会把它转化成声波，这样你就能通过扬声器听到一段特定的旋律了。在扬声器内部有一层振动膜（一个很薄的塑料片），这层膜会以不同的频率和强度发生振动，从而在空气中产生压力波，这种压力波就是你听到的声音。

那么，电压的变化是如何被转化为振动膜的机械振动，从而产生我们能听见的声音的呢？这一过程是通过磁体来完成的。扬声器的振动膜与一个线圈相连，电压能在线圈中产生电流，电压的变化会引起电流的变化。在前文中我们提到，电场和磁场之间存在一种对称关系，通过这种对称关系，线圈中电流的变化就会被转化为振动膜的机械振动。变化的电流产生了变化的磁场，与振动膜相连的线圈正下方有一块永磁体，这块永磁体紧贴在振动膜的底部。当电流顺时针通过线圈的时候，所产生的磁场N极向外，也就是和永磁体的N极相对。因为磁体具有同极相斥的特点，此时便会产生排斥力将磁体推开，振动膜就会向外弯曲。而当线圈中的电流变成逆时针流动时，电流产生的磁场S极向外，也就是说磁场的S极和永磁体的N极相对。因为磁体具有异极相吸的特点，此时产生的力会将线圈拉向永磁体的方向，振动膜就会向内膨胀。随着电压频率和强度的变化，振动膜以不同的频率和强度发生振动，就会产生声波。

当你把耳机塞进耳朵里时，你的耳鼓附近就有了一个振动膜。在一个传统的音响系统中，扬声器的振动膜处于一个向外开口的大圆锥的中心，这个装置能把振动膜的振动放大并且传播出去。智能手机的扬声器内嵌于外壳，因此智能手机播放的音乐，其音量和音质都不够理想。（如果你想用一种简单快速的方法来放大智能手机扬声器的音量，可以把手机扬声器放在一个大碗的底部。这个碗最好是木质的，这会使手机扬声器发出的声音更浑厚、更深邃，因为木材能够提高声波的音质，这也是弦乐器通常采用木质外壳的原因。）

播客节目里播放了一段轻快的音乐。你边听边想象着乐手有节奏地用琴弓在琴弦上拉动，但这让你突然意识到自己还没刷牙。你赶紧把手机的音量调大，然后冲进浴室，从塑料充电基座上拿起你的电动牙刷。

你的电动牙刷里装有一个小型的电动机，可以使刷头来回振动。这个小电动机和一个可以反复充电的电池相连。在你刷牙的时候，电池中存储的电势能被转化为旋转动能，这一过程实际上反映了一种我们在日常生活中经常用到的技术。电动机中的线圈位于一个小磁体的S极和N极之间，电流通过其中，形成一个磁场，这个磁场排斥磁体的一极，而与磁体的另一极相互吸引，导致线圈被扭曲。沿着线圈直径的方向有一根杆，线圈和这根杆相连，当线圈被扭曲的时候，这根杆会随之发生转动。通过一个巧妙的开关装置，电池产生的直流电可以每半个周期变化一次方向，于是线圈不断和固定磁体的一极相排斥，并与另一极相吸引。通过一根偏心杆，电动机的旋转动能被转化成前后运动的动能，这样电动牙刷的刷头就能在你的上下牙齿间不断振动了。

有些电动牙刷的电动机每秒钟可以旋转几百周，因此你在刷牙的时候会听到电动机发出的嗡嗡声。有些电动牙刷的振动频率高达每秒1 600 000次（但是振动的强度很小），这是通过“倍频器”（前文已经提到，在数字计时器中会用到调频器元件，“倍频器”就是调频器的一种）和压电晶体（智能手机的计时器里也用到了压电晶体）来实现的。

电动牙刷的能量来源是电池，电池通过化学反应把正电荷堆积到一根金属条上，把负电荷堆积到另一根金属条上（这种金属条叫作“电极”）。这种电势差使电动机内的线圈产生电流（或者使压电晶体发生振荡）。最终，化学反应会达到上限，电极上无法再积累更多的电荷。对于充电电池而言，此时我们可以在两个电极之间施加一个电压，使化学反应逆向进行。一旦电池完成充电，电池可以再次发挥电源的作用，之前的化学反应会再次发生，电极上又会堆积电荷。

然而，从设计上看，电动牙刷常常会接触水，甚至会被浸泡在水里。在这种情况下，我们如何给电池充电呢？许多电动牙刷都有一个塑料刷柄，我们可以把这个刷柄放在一个和电源相连的圆柱形充电器上，这个圆柱形充电器的外壳也完全由塑料制成。塑料是一种绝缘材料，在绝缘材料中，每个原子中的电子都只专注于一个目的——把原子聚拢在一起。因此，在对绝缘材料施加外部电压时，材料中的电子并不流动，也就不会有电流产生。既然充电器的外壳和刷柄的外壳都是塑料的，那么当刷柄和充电器相连的时候，刷柄内的充电电池是如何获得电能的呢？这里用到的还是前文多次提到的那个原理：变化的磁场能产生电流。

在电动牙刷充电器的基座中有一个线圈，当充电器和墙上的电源相连时，线圈中就会产生变化的电流。电流的方向不断变化，一会儿顺时针流动，一会儿逆时针流动，如此循环往复，就像左右振荡的摆球一样。相应地，电流产生的磁场也会不断改变方向。对于充电器的基座来说，在上半个周期中这个磁场的N极向外，在下半个周期中这个磁场的S极向外。电动牙刷刷柄中还有一个线圈，这个线圈处于特定的位置，因此上述磁场正好能穿过这个线圈。穿过第二个线圈的磁场具有这样的特点：磁场的强度和方向都在不断变化，因此线圈中就会产生电流，这和发电厂发电的物理学原理是一样的。由于电磁感应现象，电动牙刷刷柄中的线圈产生了电流，但它是交流电。接下来我们必须把这种交流电转化为直流电，才能给牙刷的电池充电。上述装置的特点是：两个线圈不直接相连，而是一个线圈中的电流通过“感应”使另一个线圈中产生电流。这种装置叫作“变压器”。变压器有很多用途，给电动牙刷的电池充电只是用途之一。

如果牙刷刷柄中的线圈（类似于在一个卷轴上绕线）的圈数和直径都与充电器基座中的线圈一样，第二个线圈（牙刷刷柄中的线圈）中通过感应产生的电流就会和第一个线圈（充电器中的线圈）中的电流完全一样（假设充电器中的线圈产生的磁场完全穿过牙刷刷柄中的线圈）。但是，如果第二个线圈的圈数多于或者少于第一个线圈，第二个线圈中通过感应产生的电流就会小于或者大于第一个线圈中的电流。这样的规律对我们有利，因为墙上的电源插座提供的交流电电压峰值是110伏特，而110伏特的电压对于电动牙刷的充电电池而言太高了。变压器的一个重要作用就是改变电压，这种应用在我们的日常生活中很常见。我们用变压器提高电压，以增加线路中电能传输的效率；而当电能到达千家万户的时候，我们又可以用变压器把电压降至120伏，因为这样的电压更安全，也更适合家庭厨房里的各种电器。

你从浴室回到厨房，把面包圈切成两半后放入烤面包机中，然后按下烤面包机的压杆。烤面包机的弹簧会把烤好的面包片向上推，而现在这个弹簧被压缩了，使得面包片没入烤面包机中。烤面包机的发热丝开始变热，最终变成了耀眼的红色。桌上的黄油还有点儿硬，你把它放入黄油碟中，再把黄油碟放在烤面包机的开口上。烤面包机产生的热量会让黄油变得更软、更易涂抹。

烤面包机在美国并不是一项新近的发明，曾祖辈们可能对烤面包机也不陌生。当你把一片面包放入烤面包机并按下压杆时，你不仅让面包没入烤面包机中，还闭合了一个电路。这个电路一闭合，面包片附近的电热丝中便会有电流通过。大概半分钟以后，电热丝变热并且发出红光。这是为什么呢？要想理解烤面包机如何把电能转化为热和光，我们必须先了解热力学、电磁学以及量子力学的有关知识。对，为了一片烤面包，我们竟然要学习这么多知识！

烤面包机用到了热力学第一定律。这条定律告诉我们，在一个闭合的系统中，热和功的总量始终保持不变。当你按下烤面包机的压杆时，电路闭合，线圈中产生电流，由于线圈有电阻，电流的电能被转化成热能。

让我们先来看看金属线圈。一种材料要成为电的良导体，就必须具有大量能够自由移动的电荷。金属中含有高密度的自由电荷，因此金属具有良好的导电性。而塑料和玻璃等材料中的电荷会被原子间的化学键所束缚，所以这些材料都是绝缘体。在一种固体中，原子的排列方式和原子间的化学作用决定了这种材料是绝缘体还是导电体，原子的排列方式和原子间的化学作用又都受到量子力学方面的限制。

烤面包机的电热丝一般由镍和铬的合金（叫作镍铬合金）制成。镍和铬这两种金属都能导电。一台烤面包机想要快速地把面包片烤热，它所使用的电热丝就必须是电的良导体，但是电热丝的导电性能也不能太好。在镍铬合金制成的电热丝中混合了两种不同的金属，再加上其他一些不完美的地方，这样的设计反而能帮我们取得理想的加热面包片的效果。

我们可以把烤面包机的电热丝想象成一个大楼梯，一群人要同时通过这个楼梯下楼。从最下面一个台阶走出来的人越多，这群人的移动速度就越快，电流也越大。事实上，让这些人下楼的动力是电压。在这个比喻中，我们也可以把电压看成是楼梯的倾斜度，很陡的楼梯对应较高的电压。当楼梯很陡时，每个人下楼的速度就会很快。楼梯的每个台阶对应金属中的原子，要想更快地让一群人通过楼梯下楼（尤其是在人数很多时），最好的办法就是让大家沿着楼梯排好队（按照台阶的宽度排成一个个横排），然后所有人步调一致地一级一级走下楼。当某一横排的人走下最后一个台阶时，另一横排的人走下第一个台阶，这样一来，这个楼梯就能以最高的效率运转了。

然而，楼梯上的人们并非整齐划一地行动，他们的行动具有一定的随机性，就像导线中的电子一样。而且，一个真实楼梯的台阶也不是完全平均分布的（真实的导线也不是）。如果楼梯上缺了一个台阶（这种情况对应于在导线中，某个原子不在它该在的位置上），而且在走到这个台阶之前没有人发现这一点，就会让人摔个大跟头。这种情况会导致效率下降，下楼的过程就会耗费更长的时间（烤面包机的电热丝中的电流也会更小）。

在金属中，上述情况会导致“电阻”的产生。电流通过一条长而细的导线比通过一条短而粗的导线更加困难。在某些设备中，电阻是一种需要克服的障碍。但是，当我们用烤面包机做早餐的时候，电阻却在帮我们的忙。

由于导线有电阻，电流的动能就被传递给导线中的原子。随着能量提高，原子会振动得更加剧烈，这个过程叫作“焦耳加热”。正因如此，烤面包机要用镍铬合金制作电热丝——这种合金既有一定的导电性，又有很大的电阻，从而保证导线通电时产生最多的焦耳热。如果足够多的动能被传递给原子，原子就会剧烈振动；如果原子振动得足够剧烈，电热丝就会发出红光。

当原子振动的时候，电子会像弹簧另一头悬挂着的重物一样左右摇摆，原子内部就会形成变化的电流。这种原子内部电流的大小和方向都在不断变化，形成一个不断变化的磁场，这个不断变化的磁场又会产生一个电场。让我们回忆一下前文提过的带电的摆球。周期性变化的电场和磁场共同形成了一种振荡的电磁波，这种电磁波就是我们所说的“光”。

为了烤出一片可口的面包，必须把电热丝的热量（电热丝的温度可能超过538摄氏度或1 000华氏度）传递到面包上。在电吹风和电暖器工作时，空气分子经过电热丝，获得了电热丝上过量的动能。而在烤面包机中，加热的过程主要通过红外线完成。当面包的表面温度达到149摄氏度或300华氏度时，面包中的糖和淀粉就会发生化学反应，面包的味道和质地也开始发生改变。烤面包机有一个用于调节不同加热挡位的旋钮，这个旋钮实际上控制着一个可调节电阻，它可以通过改变电阻来改变电热丝中的电流大小。此外，烤面包机中还装有计时器或者温度传感器，在达到一定的时间或者温度以后，这些部件会将闭合的电路断开——此举能够防止面包被烤煳。

你把黄油碟从烤面包机上移走，此时黄油正要开始融化。不一会儿，面包圈切片从烤面包机中弹出，烤得恰到好处，堪称完美。虽然你很想慢悠悠地喝杯咖啡放松一下，但你知道今天要去看医生。于是，你给自己倒了一杯橙汁，然后一边听播客节目，一边迅速吃早餐。智能手机的日程提醒功能发出蜂鸣声，告诉你距离和医生约好的时间还有一小时。你清理餐盘、冲洗装橙汁的玻璃杯和装咖啡的马克杯，再把这些餐具全部放入洗碗机中。之后，你把装橙汁的瓶子和剩下的黄油放回冰箱。

烤面包机运用了热力学第一定律，因为电流通过导线时做的功被转化成热。而热力学第二定律则告诉我们当上述过程反向发生时，将会面对怎样的限制条件。这个反向过程就是用热来做功，冰箱正是靠这样的原理来工作的。

一般来说，在出现基础科学研究的结果后，人们才会把这些研究结果应用到实践中。但是，热力学的发展却颠覆了这一规律：我们先有了蒸汽机（却并不理解蒸汽机背后的科学原理），并产生了提高蒸汽机效率的愿望，然后科学家们才发现了蒸汽机背后的基本物理学原理。发动机能把随机的热转化成有用的功，比如内燃机可以燃烧汽油来做功；而电冰箱可以被看作一个反向运转的发动机，它的工作原理是通过做功来减少系统中的热量。

如果你想让一杯热咖啡快点儿冷却，那么你也许会对着咖啡吹气。其实电冰箱在降低其内部温度的时候，用到的是和吹凉咖啡同样的物理学原理：蒸发散热。让我们假设，清早你想喝杯咖啡，可是咖啡太烫，入不了口。温度这一指标度量的是咖啡分子的平均动能。也就是说，在一杯咖啡里，有些分子的动能小于平均动能，也有些分子的动能大于平均动能。某些分子的动能甚至大到足以产生“态”的变化，即从液态变成气态，形成热咖啡散发的蒸汽。当你对着一杯咖啡吹气的时候，你可以把这些动能较大的气态分子从杯口赶走，让它们无法再变回液态，也无法把状态变化产生的能量传回液体中。因此，这个系统中所有分子的平均动能下降，咖啡的温度也就降低了。

电冰箱基本上依靠同样的原理工作，只不过电冰箱使用的液体并不是咖啡。过去，电冰箱使用氟利昂来制冷，但现在氟利昂已被一种新型制冷剂——四氟乙烷所代替。冰箱中有一个电动机，它通过驱动机械泵运转使液态制冷剂流过一根很细的金属管。我们知道，金属是热的良导体（金属中大量的自由电子不仅能够传输电流，也能够传递能量），金属管能够保证液体制冷剂和冰箱壁之间充分发生热交换。在机械泵的驱动下，液体制冷剂经过一个膨胀阀，从一个细管进入一个较大的空间，在那里发生从液态到气态的转化。要想让某种物质从液态变为气态，就必须为这种物质提供能量（比如把水烧开）。为了完成蒸发的过程，咖啡的蒸汽会从剩下的液体咖啡中吸取能量，四氟乙烷则从冰箱内壁吸收热量。在冰箱中，液态制冷剂会经过一系列S形的管道。管道之所以设计成这种形状，是为了让管道与冰箱内壁接触的表面积最大化。和冷藏室相比，冷冻室的S形管道更密集，可以从冰箱中吸收更多的热量，从而保证冷冻室的温度比冷藏室更低。

制冷剂从冰箱中吸收的热量就储存于气态制冷剂中，我们该如何处理这些能量呢？为了重复上述制冷过程，并让冰箱内始终保持冰冷，机械泵再次将气态制冷剂压缩为液态。制冷剂从液态变成气态时，会从冰箱内壁吸收热量；而制冷剂从气态变回液态时，又会释放出热量。因为驱动机械泵需要消耗能量，所以维持冰箱运转也有能量损耗。这个封闭系统的管道位于冰箱的后部，一般靠近墙壁放置，因此热量不会回到冰箱内部。当冰箱的温度传感器判断冰箱内部已经达到设定温度时，机械泵将停止工作。不管是冷冻室还是冷藏室，冰箱门封条都会向其泄漏热量，但是人们已经用更好的材料和更先进的工程技术提高了冰箱门封条的质量。如果你长时间打开冰箱门检视冰箱内部的物品（或者思考宇宙的某个复杂原理），冰箱内部就会开始升温，此时你会听到冰箱压缩机再次启动的声音。第2章开车进城去！

你乘坐电梯来到公寓大楼的地下车库，走向自己的汽车——一辆油电混合动力汽车。你的钥匙扣上挂着一个无钥匙遥控器，只要按下按钮就可以打开锁住的车门。进入汽车以后，你在方向盘前坐好，发动汽车向车库出口开去。在车库出口处，你减慢车速，一个传感器识别出你车中的电子钥匙，自动为你打开了车库门。

从本质上来看，汽车是一种把势能转化为动能的机器。在内燃发动机中，势能表现为化学能，这种能量储存在汽油分子中。在电动汽车中，势能来自电化学电池。而油电混合动力汽车既装有内燃发动机，又配有电动机，这种汽车的设计目标是将两种能源的优势最大化，同时让其劣势最小化。燃油汽车加满一箱油后可以跑很远的距离，但这种汽车的每公里油耗指标不理想，还会产生有害气体。电动汽车则更加环保、高效，但是每次充满电后的行驶距离有限，因为其电池的能量密度较低。如果只考虑正常情况下的驾驶需求，汽车只要装一个小型发动机就可以了（这样的发动机在油耗方面效率更高）。但是，如果车辆需要在高速路上加速或者爬陡坡，小型发动机将无法为车辆提供足够的动力。上述情况虽然不常有，但却是驾驶者可能遇到并且必须应对的重要情况，因此，为了让这种更小、更高效的发动机在特殊情况下仍能产生足够的动力，油电混合动力汽车把以电池供能的电动机作为次要能量来源。这样一来，油电混合动力汽车不仅靠更高效的发动机降低了每公里油耗，而且还不用以牺牲加速性能为代价——因为在车辆加速的时候，电动机可以起到辅助作用。

然而，站在一名物理学家的角度看，每辆汽车都是靠电能驱动的。不管让车轮转动的能量来自哪里，从本质上来看，电动汽车、燃油汽车，甚至是靠蒸汽机驱动的古董车，它们的能量归根结底都来源于电。

在正常情况下，原子是电中性的（既不带正电荷，也不带负电荷）。然而，电中性的原子之间是不能形成化学键的。如果我们让两个原子靠得非常近，它们的电子旋转轨道就会发生重叠。带负电的电子会互相排斥，使得两个原子彼此远离并且各自独立。要想让两个原子结合在一起形成一个分子，就必须克服这种排斥力，因此必须找到一种额外的吸引力来抵消电子之间的排斥力。原子间的所有键都依赖于电所产生的吸引力，这种吸引力能让两个原子保持“在一起”的状态。在一个汽油分子中，原子之间的键叫作“共价键”，共价键通常来说非常牢固，想让共价键断裂，就必须施加相当大的能量。当汽车发动机中发生燃烧反应时，汽油分子的碎片会重新组合起来，由于共价键的强度很大，所以这个过程会释放出相当大的能量。

还有一种化学键叫作“离子键”，电池中储蓄的能量就来自离子键。如果原子所带的电子数目比正常数目少或者多，原子就变成了“离子”。在一个“阳离子”中，绕原子核运动的带负电的电子数目少于原子核中带正电的质子数目。如果电子的数目大于质子的数目，我们就会得到一个“阴离子”。电池是一种靠离子来产生电压的设备。一个典型的电池可以让离子在两个金属棒之间移动（这两个金属棒被称为“电极”或者“终端”）。电池的两个电极通常都浸泡在某种液体中，这种液体可以是酸性的（比如硫酸），也可以是碱性的（通常是氢氧化钾），它使电池一极上的原子带上电荷，从而形成离子。如果我们选择适当的金属作为电极，再选择合适的化学液体，就可以让带负电的离子堆积在一个电极处，而让带正电的离子堆积在另一个电极处。我们在液体中放置一个起分隔作用的挡板，让离子待在相应的电极处，并防止阳离子与阴离子在液体中互相结合放电。当我们用一根导线把电池的两极连在一起时，导线两端的电势差使得导线中的电子远离电池的阴离子极，而流向阳离子极。于是，这根导线中就产生了电流。我们可以利用这种电流来做机械功，比如驱动一个电动机。

当我们利用电池在电路中产生电流时，电极中存储的离子就会发生移动，而电池液中的化学反应可以继续为电池的两极提供正负电荷。但最终，电池液中的反应物会耗尽，到那时，电池将无法继续保持额定电压，这个电池也就“没电”了。幸运的是，今天的电动汽车配备的都是可充电电池。

用电池来存储电能的另一个局限性在于，电池的金属电极能够容纳的带电离子数量是有限的，这是把电池作为汽车的唯一能量来源的一个很大的劣势。和电池的能量密度相比，存储在汽油分子化学键中的能量密度要大得多。我们要做的就是用某种方式获取这些能量，并用这些能量来驱动汽车。

一个典型的汽车发动机通常有4～8个气缸，每个气缸的顶部都有一个洞，与一根管子相连，通过这根管子可以向气缸注入各种不同的化学蒸气。气缸的侧壁非常坚固，顶部是固定的，底部是一个可以上下滑动的金属板（这个金属板被称为“活塞”）。一个燃烧周期共有4个步骤，前两个步骤是向气缸中注入汽油蒸气和氧气，并向上推动活塞，压缩气缸中的汽油蒸气和氧气的混合物。被压缩的汽油分子和氧分子温度升高，具有更大的动能。当温度足够高的时候，汽油分子就会与氧分子发生化学反应，表现为燃烧现象，此时混合蒸气的温度恰好比这个临界温度低一点儿。当燃烧周期的第三个步骤开始时，发动机会为上述系统提供一个触发能量，这种触发能量的具体形式是：火花塞产生电弧，点燃高温的汽油蒸气。随着燃烧反应的发生，汽油分子中的化学键断裂，形成新的化学键。这一系列过程的结果是：反应后的化学物质的动能比燃烧之前要高得多。这些速度更快的分子冲击气缸内壁，施加给活塞一个强大的压力，推动活塞向下运动。在燃烧周期的第四个步骤，混合蒸气（包括被点燃的汽油与氧气的混合物，以及气缸中未反应的汽油蒸气）被推出气缸，通过另一根管子以尾气的方式被排放掉，此时气缸回到初始状态。

当我们驾驶汽车的时候，汽车的发动机不断重复上述4个步骤，活塞上下滑动的动能通过一种设计巧妙的机械联轴器转化为汽车行进的动能。在汽车中，有一根杆一头连接活塞顶部，另一头与一个圆盘的边缘相连。活塞推动这根杆上下运动，杆驱动圆盘旋转，圆盘又使车轮滚动起来。

为什么汽油的燃烧会产生能量？一个汽油分子中包含一条碳原子链，这些碳原子通过共价键连接在一起，就像一根手链上的珠子一样，而氢原子则通过化学键与碳原子相连。如果一个分子中所有成键原子的总能量低于这些原子本身的能量之和，这个分子就是稳定的。这种较低的结合能来自于各原子内电子的量子力学作用，在结合能的作用下，共价键分子中的原子就能连接在一起而不分离。如果向分子提供一个比上述结合能更大的能量，分子就可能被“打散”为许多分子碎片。这些分子碎片会与其他原子结合，产生新的分子。新分子的能量低于各个原子分开时的能量之和，随着新分子的形成，这些原子进入了一个势能更低的新状态，这个过程所释放出的能量会加快化学物质的反应速度（使这些物质的动能增加），增加的这些动能就叫作“热”。发生燃烧反应时，不同的分子会释放出不同数量的动能。20世纪初，四冲程燃油汽车之所以能够最终取代蒸汽机汽车以及电动汽车，原因之一就在于，在质量相同的前提下，汽油是能量密度最高的燃料之一。

在某些混合动力汽车中，电动机和汽油发动机同时工作，一起为汽车的运动提供动能。还有一些混合动力汽车则采用另一种设计：在同一时间内，要么电动机工作而汽油发动机不工作，要么汽油发动机工作而电动机不工作。当汽车发动的时候，电动机负责供能；随着汽车达到巡航速度，汽油发动机取代电动机为汽车供能。有的混合动力汽车靠汽油发动机驱动发电机，再让发电机给电池充电；有的混合动力汽车是在每次刹车时对电池进行充电。在后一种情况下，车轮的转动动能被转移到发电机上，发电机再给电池充电。不管采用上述哪一种设计，这些混合动力汽车的电池都不需要连接外部电源就能够充电。

你沿着熟悉的街道驾车前行，很快就要驶入你每天上班都要经过的高速公路了。此时，你早餐时喝下的咖啡终于发挥了作用，你记起今天并不是要去上班。但是，你正在驾车朝远离医生诊所的方向开去。为了不迟到，你决定打开汽车仪表盘上自带的全球定位系统（GPS）。你快速输入医生办公室的地址，GPS为你提供了前往目的地的详细路线图。你不禁想，再也不用向加油站的工作人员问路了，这真是太好了。

GPS通过和卫星交互来判断你的准确位置。这类定位卫星处于中地球轨道上，距离地球表面约有12 600英里远，绕地球一周大约需要12个小时。目前，有32颗这样的卫星正在围绕地球运行。不管你身在什么地方，你都会至少处于4颗卫星的无线电联络范围内。这些卫星周期性地发射无线电波，任何接收器都可以通过接收这些无线电波来获知卫星发送信号的时间和地点。你的GPS就是一台这样的接收器。你的GPS能够侦测到这些卫星信号，并根据卫星发射这些信号的时间来计算信号每次到达所用的时间。一旦知道了信号的传输时间和传输速度（无线电波是光的另一种形式，因此信号的传输速度等于光速），你的GPS就能够计算出它与该卫星的相对位置。然后，你的GPS又可以根据同样的原理计算出它与另外两颗卫星的相对位置。通过比较三颗不同卫星所发射信号的传输时间，以及你的GPS与这三颗卫星的相对位置，GPS就能够准确地判断出你的位置。一旦确定了你的位置，GPS中存储的地图程序就能够指导你如何到达目的地。

对这些卫星信号的计时越准确，你对所在位置的判断也就越精确。由于光速非常快，在计时方面的微小误差可能会导致定位上的巨大误差。时钟在一个远离巨大引力体（比如地球）的物体上（比如通信卫星）的运行速度会比在巨大引力体表面上的运行速度快一点儿。要想理解为什么引力会影响通信卫星上时钟的运行速度，我们必须先学习爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦的广义相对论是一种关于引力的理论。不管你使用的是汽车仪表盘上的导航系统，还是智能手机中的定位装置，它们都属于GPS。GPS之所以能够准确地完成定位任务，应该归功于爱因斯坦在理论方面做出的天才贡献。

对于引力效应，你应该再熟悉不过了。当你站在浴室的体重秤上时，你便会感受到引力的作用。体重秤之所以能够准确地测量出你的体重，是因为地心引力会向下拉你的身体，而体重秤需要对你的身体产生一个向上的推力来平衡这种引力。如果你身处外太空的一个封闭房间中，体重秤的读数将会是零。但是，如果我们借助外力让这个封闭房间加速运动（比如在房间的天花板上连接一根缆绳），你便不会继续失重地飘浮了，因为房间的地板会对你产生推力。所以，一旦这个房间天花板上的缆绳开始拉动房间做加速运动，房间里的体重秤便会显示出一个读数。爱因斯坦认识到，由于没有任何方法可以帮助我们判断体重秤上的读数究竟是来自引力，还是来自这根缆绳所提供的加速度，所以这两种作用力从本质上看必须是等效的。

引力来自有质量物体之间的相互作用，而加速度描述的是我们如何在时间和空间中移动。质量会使空间弯曲，也会使时间弯曲，从而改变我们的运行轨道。

地球的质量非常大，这种巨大的质量会使地球周围的时间和空间发生弯曲。想象有一张很薄的蹦床，四周被固定并绷紧，然后我们在这张蹦床上放置一个保龄球。随着保龄球的下沉，蹦床会发生弯曲。如果一个质量很小的物体（比如围绕地球运转的GPS卫星）在这个保龄球附近运动，弯曲的蹦床将会改变这个物体的运动轨迹，因为这个物体必须在弯曲的蹦床表面运动。如果我们能够正确地设定这个较轻物体的速度，那么这个物体将会沿圆周轨道围绕保龄球运动。我们既可以认为该物体做圆周运动是因为它在一个曲面上运动，又可以认为这种圆周运动是引力作用的结果。根据爱因斯坦的广义相对论，这两种解释是等效的。理论物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒对这种情况做了如下注解：在广义相对论中，时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲。

相对论会产生两种效应，这两种效应都会让GPS卫星上高度精确的原子钟失准。这些GPS卫星沿着地球运动，每12小时运动的距离多达104 000英里，相对于你所处的地球表面，这些通信卫星的运动速度非常快。因此，根据爱因斯坦狭义相对论中的时间延缓效应，我们可以预测GPS卫星上的时钟会比地球表面上的时钟的运行速度更慢。

时钟越接近有引力质量的地球，时间就会越慢。要理解这种现象背后的原因，我们需要思考空间如何在地球周围发生弯曲。当光接近地球表面时，在一定时间内光的运动距离会变长。因此，要想让光以同样的速度经过这段更长的距离（相对论的一个核心原则是：光在真空中的传播速度在任何地方都是恒定不变的），时间就必须在接近地球表面的地方慢下来才行。也就是说，作用在时钟上的引力越大，时钟的运转速度就越慢。如果我们知道地心引力的强度，我们就可以计算出GPS卫星上的时钟的运转速度比地球上的时钟的运转速度快多少。因此，在时钟的运转问题上，我们一共看到两种效应：根据狭义相对论，GPS卫星上的时钟比地球上的时钟运转速度慢；但根据广义相对论，GPS卫星上的时钟又比地球上的时钟运行速度快。这两种效应的大小并不相等，因此两种效应无法完全抵消。这两种效应所产生的结果是：由于引力作用，GPS卫星上的时钟比地球上的时钟运转速度快。这种时间上的偏差虽小，却是不能忽略的。如果我们不对这种时间的偏差进行修正，GPS系统的价值就值得我们怀疑了。

你开车驶入高速公路，这次你终于走对方向了。仪表盘上的GPS告诉你，你必须在这条路上继续行驶4英里，这意味着你需要缴纳高速公路过路费。当你慢慢驶近收费站时，你看到收费站前排起了长队。看到这样的情景，你不禁心头一沉。好在你立刻意识到，发生拥堵的只是最右侧的两条车道。这两条车道是现金支付通道。于是，你放心了。你抬头看看车前挡风玻璃上的那个小白盒子，不禁对这个能够自动缴纳过路费的快易通系统（E-Zpass）产生了感激之情。你轻松地驶过一个自动缴费通道，避开了排队等候的麻烦。而那些使用现金支付的司机们可就不如你幸运了。

快易通系统主要依赖于专用的无线电技术。事实上，车库门自动开关系统，无钥匙遥控进入系统，警察、军队以及某些紧急救灾人员使用的便携式对讲机也都是依靠专用的无线电技术工作的。你车上的快易通系统是一个靠电池驱动的小型接收器，而收费站中的装置则类似无线电天线。和便携式对讲机一样，不管是你车上的接收器，还是收费站中的天线，都能够发射以及接收无线电波。某些快易通系统的工作原理如下：收费站处会发射一道光束，当车辆驶过这道光束时，接收器和天线之间的“对话”便启动了。当行车道空着时，光束正好射到某个光电探测器上；而当车辆驶过收费站时，这条光束会被遮住，光电探测器接收不到信号，某个电路便被断开。这个电路的断开使得另一个电路被闭合，收费站的天线便向车辆中的快易通系统发出一系列信号，这样，收费站与车辆之间就建立起了无线电传输。

既然我们知道快易通系统、车库门自动开关系统以及便携式对讲机都主要使用专用的无线电技术，那么你很可能会提出这样一个问题：无线电的工作原理究竟是什么呢？无线电波的产生和烤面包机的电热丝发红的物理学原理其实是一样的。在烤面包机中，由于电热丝的温度上升，电热丝中的原子就会发生剧烈振动，从而发射出电磁波（因为变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场又会产生电流）。烤面包机的电热丝同时发射出红光和红外线，而如果电子振动的频率较低，就会产生无线电波。

物理学家用“光”这个词来描述任何形式的电磁波。无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线以及伽马射线都属于光，它们之间的区别仅在于电场和磁场的振荡频率不同。快易通系统的无线电波频率为900兆赫兹（即每秒钟振荡900 000 000次）。

当收费站内的天线发射的无线电波与车内快易通系统导线里的电荷相遇时，变化的电场便会使电子发生振动（见图2）。对快易通系统而言，收费站内的天线和车内的装置都会发出信号，也都会接收信号。因此，收费站和车内的装置都可以被称为“接收器”，也都可以被称为“天线”。图2

图2描绘的是无线电发射器和接收器。在发射器（上图）中，电流上下振动，产生电磁波。电磁波的频率和电流的振动频率一致。当电磁波接触到金属天线（下图）时，通过感应使得金属中的电子发生振动，电子的振动频率和电磁波的频率一样。在快易通系统、车库门自动开关系统以及无钥匙遥控器中，都用到了同样的物理学原理。

我们可以通过很多方法利用这些无线电波对信息进行编码，但是有两种方法最常见：一种是改变无线电波的峰值，这种方法被称为“调幅”（AM）；另一种是改变振荡的频率，这种方式被称为“调频”（FM）。我们知道，在弹簧的一端挂上一个带电荷的重物，并让这个重物来回振荡，就会产生电磁波。而调幅和调频这两种方式都要求我们对电流进行更复杂的微调。在收音机中，电磁波被转化为电压，电压使接收器的扬声器发生振动，从而产生与原始信息类似的声波。快易通系统中虽然没有扬声器，但其基本工作原理与收音机是一样的。我们通过无线电波的变化将信息编码，收费站内的装置和车内的装置会来回进行无线电的传输交流。

当快易通系统中的接收器接收到无线电波时，这个装置便会发出一个与原始信号不同的无线电波信号，其中包含了车辆的账户信息。然后，这个电子信息会被输入一台小型计算机中。这台小型计算机会验证车辆的账户信息，并检查账户中是否有足够多的资金来支付高速公路过路费。接着，这台计算机向显示屏发出另一个信号，显示屏上会显示车辆账户的扣款信息。无线电波的传播速度等于光速，也就是每秒186 000英里。因此，当车辆经过收费站的时候，车辆行驶的距离还不到1英寸，无线电波就已经完成了上述所有的信号发送和接收工作。当光电探测器感应到有车辆经过时，收费站中的天线就会发出搜索快易通系统的信号。如果天线没有收到快易通系统发出的反馈信号，电子摄像头就会收到另一个信号，并将该车辆的车牌号码拍摄下来，等待司机的就是罚单了（罚单有时是通过邮局寄送的，这个速度可比光速慢多了）。

交通情况似乎不错，你开始考虑：我会不会在约定时间之前到达医生办公室呢？你发现在车流中有几处空当，于是你变了两次道，希望能通过超车节省一点儿时间。有那么几秒钟的时间，你没有看着前方的路面，而是打开了车中的收音机，以便收听天气预报和交通状况播报。今天的天气晴朗，你的航班正常起飞应该没有问题。交通状况同样令人高兴，在早高峰时段，既没有大型的修路工程，也没有发生车祸。突然，你看到前方出现了一片红色的刹车灯。你也快速踩下刹车，以避免和前车追尾。想不到，竟然毫无原因地堵车了。你焦躁地拍着方向盘，心想要是可以飞过去该有多好！

随着高速公路上每英里行驶车辆密度的增加，“车流”——每小时通过指定地点的车辆数目——也会增加。但如果车辆密度变得太大，最终车流将会减小，行车时间也会变长。物理学知识告诉我们，如果车辆不由驾驶员来驾驶，交通将永远保持通畅。

如果高速公路上车辆的密度较小，每辆车的运动就可以被看成是独立的——每辆车的速度由路况决定，而不受其他车辆的影响。这种情况类似于一团非常稀薄的原子云，在这样的原子云中，两颗原子碰到一起的概率很低。而随着车辆密度的增加，路况便发生了改变。在车辆密度较大的情况下，车辆的运动方式更像液体中的原子，每个原子都会与其相邻原子相互作用，其运动也受到相邻原子的影响。在高峰时段，高速公路上的车辆密度达到最大值。此时，你可能被堵在车队中动弹不得，却不知道堵车的原因。有时候，这种交通堵塞的情况并不是由修路或者事故引发的，而是由交通的内在不稳定性造成的。

当车辆密度较大的时候，交通流可以被看成是一种集体现象。在物理学领域，也会出现这样的集体现象，比如水分子会与附近的其他分子相互作用，形成大幅度的扰动，比如产生波。在高速公路的交通问题中也存在这样的现象：当驾驶员看到前方的车流中出现空当时，他们通常并不会减速来保持与前车的距离，而会加速来缩短他们与前车的距离。每辆车的司机都有意地缩短与前车的距离，这就造成了一个聚集的车群。当后面速度较快的车辆接近这个车群的尾部时，它将不得不减速。只有在车辆穿过这个高密度的车群后，它才可能再次加速行驶。

在交通能否通畅方面，有两个因素起到了关键性作用：一是你认识到前方聚集了一个车群，二是你对车辆密度变化的反应时间。如果这个反应时间比较长，也就是说当前方的车辆密度发生变化时，司机需要较长的时间才能反应过来，那么，交通就会变得不顺畅，拥堵的车群也会越变越大。

与上述情况类似的一个例子是沙堆。沙堆的形成过程是这样的：我们把干燥的沙粒不断堆叠到其他沙粒的上方，直到形成一个不稳定的锥形沙堆。如果再给这个沙堆添加一粒沙，就可能造成沙堆侧面发

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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