氢气球 or 氦气球？诺贝尔物理学奖得主称地球或将“无氦”

氢气球大家都玩过，可能有些人还玩过非常大把的，就如《飞屋环游记》里的卡尔·弗雷德里克森。很多人会误以为氢气球里装的是氢气——如果真是这样可就麻烦了，氢气与氧气混合后，遇火容易爆炸。实际上，现在正规的氢气球，填充的都是氦气，所以其实应该叫氦气球，但由于氢气价格便宜，来源广泛，一些小商小贩还是会充氢气。所以购买时大家一定要擦亮眼睛，问清它究竟是氢气球还是氦气球，尽量买氦气球。

氦气实际上是一种非常重要的科研工具。更重要的是，作为一种惰性气体，它本身很难获取。在美国以及世界上很多地区，过于低廉的价格使氦气被滥用了。2010年，美国物理学家、1996年诺贝尔物理学奖得主罗伯特·科尔曼·理查森（Robert C. Richardson）在接受《新科学家》杂志专访时发出警告：如果不立即控制对氦的滥用，2035年以后科学家将无氦可用。届时，人类在很多领域的科学探索工作将大受影响。

Robert C. Richardson （1937.06.26～2013.02.19）于1954年进入弗吉尼亚理工大学学习。在经过一段彷徨期后，他选择了物理学，并于1966年获得杜克大学的物理学博士学位，1968年开始在康奈尔大学任教，先后任康奈尔大学原子与固态物理实验室主任、校长高级科研顾问及科研副教务长。理查森曾经专注于核磁共振，研究液体和固体在极端低温下的量子属性，之后，他将所有的精力都投入于氦3的低温研究。1971年，因为在康纳尔大学的原子与固态物理学实验室中发现了氦3的超流体属性，罗伯特·科尔曼·理查森与同事大卫·莫里斯·李（David Lee）以及自己的学生道格拉斯·D·奥谢洛夫（Douglas Osheroff）分享了1976年的英国物理学会第八届西蒙纪念奖乃至1996年的诺贝尔物理学奖。理查森与中国有颇有渊源，于2011年被长安大学聘为名誉教授，并参加了多次与中国大中学生的互动交流，受到中国师生的热烈欢迎。

2010年理查森曾表示，美国在氦供应的科学政策上一方面让氦储备市场化，但另一方面其价格却受到人为控制，这导致的过度使用氦的消费方式将使得氦气在接下来的二十几年中用完。

理查森介绍说，氦是完全的惰性气体，几乎没有化学属性。这种特点使得它在带高放射性物质的工业上有着至关重要的作用。此外，在所有的气体中，氦气的热导率最高，其中子透明。这意味着它在下一代核反应堆技术上起到了相当重要的作用。在所有气体中，氦气的沸点最低，被大量用于大型冷却系统，大型量子对撞机（LHC）就使用了氦气帮助保持其低温超导状态。“这是我最喜欢的元素。”理查森说，“所以我用一生在研究它。”

氦原子很轻，所以可以用在气球上，但这也导致了它被滥用。一旦进入大气，它很快就会进入平流层，然后逐渐远离地球，消失在茫茫宇宙中。理查森说，最重要的氦来源于花岗岩上层的盐丘。它们是混合天然气体的组合部分。

1903年，美国肯塔基州首次从天然气田中提取出了氦气，很快，氦气便用于了美国军方的飞机中，美国政府将其视为一种战略性能源。二战后，美国政府逐渐建起了一条和天然气管道平行的氦气管道，将氦气运到一个固定的盐丘，这个地方叫做“布什丘”（Bush Dome），在世界氦总供应中占有很大份额。

理查森曾表示，仅“布什丘”的储备足以满足全世界10年间的氦需求。但美国国会当年的一项法案却迫使这些储备必须在20年内卖完。氦气因此被廉价抛售。

以2008年全球氦消费速度推算，世界将在2035年前后用完所有的氦。理查森说，现在的解决方法是，保证氦的市场价格和其稀缺性一致。“我们这一代人没有权利决定未来的氦使用。”理查森说。

1996年诺贝尔物理学奖颁奖词（节选）

……我们呼吸的空气不仅仅包含氧和氮，还包含少量的其他气体。其中之一就是跟全球温室效应相关的气体——二氧化碳。另外一种是惰性气体——氦，它在我们的大气中占5%。这种化学元素以两种形式（两种同位素）存在：较重的一种叫做氦-4，较轻的一种叫做氦-3。较重的这种同位素几乎占去了所有的氦元素，氦-3仅占氦元素总量的百万分之一，因而该同位素已经很不值得一提了。然而，本年度的诺贝尔物理学奖全部是关于氦-3的！

戴维·李、道格拉斯·奥谢罗夫、罗伯特·理查森利用几立方厘米的液态氦-3做了一系列有可能荣获本年度诺贝尔奖的实验。他们改变了液态氦-3的压强、温度和体积，并仔细监视这些可变因素的相互依赖性。

在实验结果的图表中，研究人员观察到曲线上有两处微弱的凸起，仅仅相当于绝对零度以上的千分之几度。很多研究人员很可能会对这样的偏离不屑一顾，把它们当做测量设备造成的小误差而不予考虑。

这三个研究人员不同！会不会是新的磁状态正在以这种方式表现出来呢？事实上，三个研究人员正在寻找的就是固态氦-3中的磁性。起初，他们也认为自己观察到的就是磁性。然而，结果跟测量数据并不完全吻合。利用医院里磁共振成像系统所采取的技术作为自己的测量手段，李、奥谢罗夫和理查森能够证明该现象发生于液态氦-3中，而不是发生于固态氦-3中。

换句话说，他们发现了液态氦-3的两种新形式，均为超流体。研究小组最终发现了三种超流相。就像在基础研究中常常发生的情况一样，他们发现的情况不同于他们一直在寻求的结果！

超流性是一种显著而不同寻常的性质，以前只有在氦-4中曾经观察到。超流性本身会以不同的形式表现出来：超流液体没有粘度，不能存放在无釉的陶器中，因为超流体会通过陶器中的微孔渗出；如果把一只空烧杯部分浸没于这种液体中，液体会向上流动，没过烧杯边口后流进烧杯里。

为了从根本的、原子的尺度上描述超流性现象，我们通常说这些原子经历了玻色-爱因斯坦凝聚。这意味着所有的这些原子都处于一种共同的量子态。这样的凝聚只有在一类叫做玻色子的微粒中才有可能实现，而在一类叫做费米子的微粒中，这种凝聚是不可能实现的。

碰巧，氦-3原子属于费米子，按说不应该经历玻色-爱因斯坦凝聚而形成超流液体。然而，氦-3原子却可以形成超流体。对此的解释是：氦-3形成成对的原子，每对原子互相做环绕运动，这种成对的原子表现出跟玻色子相同的性质，这样就可以产生迅速的玻色-爱因斯坦凝聚，该液体就变为超流体了！

李、奥谢罗夫和理查森的发现引起全世界所有的低温实验人员进行了集中的研究活动。液态氦-3从流体到超流体的相变表明，微观物理学中的量子定律有时也可以支配物质的宏观数量行为。氦-3超流体相变正在被用来在极其低温的状态下界定温度的范围，正在帮助我们增进对“温”超导体的理解，而且近来还被用来进行模拟，解释了“宇宙弦”是如何形成于宇宙之中的……

“College Physics”一书是美国高校采用率极高的物理学教材，作者全部来自美国康奈尔大学，第二作者即是1996年诺贝尔物理学奖得主罗伯特·科尔曼·理查森教授。

该教材基于美国物理教育研究的成果，突出地体现了以学生为本的教育理念。教材通过每章精彩的引子、详细且逻辑化的讲述、最新科技进展与学习内容的有机结合、有趣且简单易行的演示实验、物理在众多领域中的应用实例等，再加上友好的写作方式和精美的插图来激发、培养学生的学习兴趣。教材在每小节之后、每道例题之后都设置了检测性题目，在每章结束后提供答案，帮助学生及时巩固知识，查找问题。作者重视对解题能力和技巧的培养与训练。教材中每道例题均由解题策略、题解和讨论三部分构成。在解题策略部分中，向学生讲解、演示分析解决问题的思路和方法，其后给出标准化的解题，最后进行讨论。此外，作者对物理概念的论述和物理知识的应用尤其重视。在讲授重要物理概念和物理量时，作者回避了生硬地直接给出定义的方法，而是首先使学生明白为什么要引入某个物理概念或物理量，之后再给出严格定义。在内容安排上，作者舍去了一些公式的证明，将更多的篇幅用于讲述物理学在生物／生命科学、化学、地质学／地球科学、天文学／空间科学、建筑学、技术／机械、运输、运动及日常生活等众多方面的应用。作者用引人入胜的应用实例向学生展示了物理学对于了解自然界和人类自身的重要作用，使学生们在理解物理学法则的同时感受物理学的魅力！

内页展示

目前该书的翻译版和影印版都已被机械工业出版社引进了中国，因此国内读者不管是阅读中文版还是英文影印版都能原汁原味地使用和领略美国名校教材和物理大师的风采。

《物理学》卷1（中文）

中文翻译版（卷1）

出版日期：2015年4月

ISBN：9787111485292

定价：69.00 RMB

《物理学》卷2（中文）

中文翻译版（卷2）

出版日期：2015年8月

ISBN：9787111503026

定价：69.00 RMB

码上购买

《物理学》卷1（英文）

英文影印版（卷1）

出版日期：2013年9月

ISBN：9787111419907

定价：69.00 RMB

码上购买

《物理学》卷2（英文）

英文影印版（卷2）

出版日期：2013年9月

ISBN：9787111419914

定价：69.00 RMB

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目录展示

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译者序

前言

第1章 绪论

1.1 为什么学习物理

1.2 谈谈物理

1.3 科学计数法和有效数字

1.4 单位

1.5 量纲分析

1.6 解决问题的技能

1.7 估算

第一篇 力学

第2章 力

2.1 相互作用与力

2.2 惯性与平衡：牛顿第一定律

2.3 相互作用对：牛顿第三定律

2.4 引力

2.5 接触力

2.6 张力

2.7 基本作用力

第3章 加速度与牛顿第二定律

3.1 位置与位移

3.2 速度

3.3 加速度与牛顿第二定律

3.4 牛顿定律的应用

3.5 速度的相对性；参考系

第4章 加速度为常量的运动

4.1 加速度恒定的直线运动

4.2 自由落体运动

4.3 抛体运动

4.4 表观重量

第5章 圆周运动

5.1 匀速圆周运动的描述

5.2 径向加速度

5.3 水平弯道与倾斜弯道

5.4 卫星和行星的圆轨道运动

5.5 变速圆周运动

5.6 角加速度

5.7 表观重量与人造引力

综合复习：第1～5章

第6章 能量守恒

6.1 能量守恒定律概述

6.2 恒力的功

6.3 动能

6.4 引力势能（1）

6.5 引力势能（2）

6.6 变力的功

6.7 弹性势能

6.8 功率

第7章 动量

7.1 矢量的守恒定律

7.2 动量

7.3 冲量-动量定理

7.4 动量守恒

7.5 质心

7.6 质心运动

7.7 一维碰撞

7.8 二维碰撞

第8章 力矩与角动量

8.1 转动动能和转动惯量

8.2 力矩

8.3 力矩的功

8.4 转动平衡

8.5 应用：人类身体的平衡

8.6 转动形式的牛顿第二定律

8.7 滚动物体的运动

8.8 角动量

8.9 角动量的矢量性

综合复习：第6～8章

第9章 流体

9.1 物态

9.2 压强

9.3 帕斯卡原理

9.4 重力对流体压强的影响

9.5　压强的测量

9.6 浮力

9.7 流体的流动

9.8 伯努利方程

9.9 黏度

9.1 0黏性阻力

9.1 1表面张力

第10章 弹性体与振动

10.1 固体的弹性变形

10.2 胡克定律

10.3 胡克定律之外

10.4 剪切变形和体积变形

10.5 简谐运动

10.6 简谐运动的周期与频率

10.7 简谐运动的图形分析

10.8 摆

10.9 阻尼振荡

10.1 0受迫振动和共振

第11章 波动

11.1 波与能量的传播

11.2 横波与纵波

11.3 弦上横波的波速

11.4 周期波

11.5 波的数学描述

11.6 波的图像

11.7 叠加原理

11.8 反射与折射

11.9 干涉与衍射

11.10 驻波

第12章 声波

12.1 声波

12.2 声波的速度

12.3 声波的振幅与强度

12.4 声驻波

12.5 音色

12.6 人耳

12.7 拍

12.8 多普勒效应

12.9 回声定位与医学成像

综合复习：第9～12章

第二篇 热学

第13章 温度与理想气体

13.1 温度与热平衡

13.2 温标

13.3 固体和液体的热膨胀

13.4 气体的分子图像

13.5 绝对温度与理想气体定律

13.6 理想气体动理论

13.7 温度与反应率

13.8 扩散

第14章 热量

14.1 内能

14.2 热量

14.3 热容与比热容

14.4 理想气体的热容

14.5 相变

14.6 热传导

14.7 热对流

14.8 热辐射

第15章 热力学

15.1 热力学第一定律

15.2 热力学过程

15.3 理想气体的热力学过程

15.4 可逆过程和不可逆过程

15.5 热机

15.6 冰箱与热泵

15.7 可逆热机和可逆热泵

15.8 熵

15.9 热力学第三定律

综合复习：第13～15章

附录A 数学知识

附录B 部分核素表

第16章电力与电场

16.1电荷

16.2导体与绝缘体

16.3库仑定律

16.4电场

16.5均匀电场中点电荷的运动

16.6导体的静电平衡

16.7电场的高斯定理

第17章电势

17.1电势能

17.2电势

17.3电场与电势的关系

17.4运动电荷的能量守恒

17.5电容器

17.6电介质

17.7电容器储存的能量

第18章电流与电路

18.1电流

18.2电动势与电路

18.3金属中电流的微观图像：自由电子模型

18.4电阻与电阻率

18.5基尔霍夫定律

18.6串联与并联电路

18.7利用基尔霍夫定律进行电路分析

18.8电路中的功率与能量

18.9电流与电压的测量

18.10RC电路

18.11用电安全

综合复习：第16～18章

第19章磁力与磁场

19.1磁场

19.2点电荷受到的磁力

19.3垂直于匀强磁场运动的带电粒子

19.4 带电粒子在匀强磁场中的运动：一般情况

19.5 在相互垂直的电场E和磁场B中的带电粒子

19.6载流导线受到的磁力

19.7载流线圈受到的力矩

19.8电流激发的磁场

19.9安培定理

19.10磁介质

第20章电磁感应

20.1动生电动势

20.2发电机

20.3法拉第定律

20.4楞次定律

20.5电动机中的反电动势

20.6变压器

20.7涡电流

20.8感应电场

20.9电感

20.10LR电路

第21章交流电

21.1 正弦电流与电压：交流电路中的电阻元件

21.2家庭用电

21.3交流电路中的电容元件

21.4交流电路中的电感元件

21.5RLC串联电路

21.6RLC谐振电路

21.7交直流转换滤波器

综合复习：第19～21章

第22章电磁波

22.1麦克斯韦方程组与电磁波

22.2天线

22.3电磁波谱

22.4真空及介质中电磁波的速度

22.5真空中电磁行波的性质

22.6电磁波传播的能量

22.7偏振

22.8电磁波的多普勒效应

第23章干涉与衍射

23.1波阵面、波线和惠更斯原理

23.2相长干涉与相消干涉

23.3迈克尔逊干涉仪

23.4薄膜

23.5杨氏双缝实验

23.6光栅

23.7衍射与惠更斯原理

23.8单缝衍射

23.9衍射与光学仪器的分辨本领

23.10X射线衍射

23.11全息照相

综合复习：第22～23章

第24章相对论

24.1相对论的假设

24.2同时性与理想的观察者

24.3时间膨胀

24.4长度收缩

24.5不同参考系中的速度

24.6相对论动量

24.7质量与能量

24.8相对论动能

第25章光子与早期的量子物理

25.1量子化

25.2黑体辐射

25.3光电效应

25.4X射线的产生

25.5康普顿散射

25.6光谱与早期原子模型

25.7氢原子的玻尔模型原子能级

25.8对的产生与湮灭

第26章量子物理

26.1波粒二象性

26.2物质波

26.3电子显微镜

26.4不确定原理

26.5束缚粒子的波函数

26.6氢原子：波函数和量子数

26.7 不相容原理原子中电子的排布（除氢原子外）

26.8固体中的电子能级

26.9激光

26.10隧道效应

第27章核物理

27.1原子核的结构

27.2结合能

27.3放射性

27.4放射性衰变率与半衰期

27.5辐射的生物效应

27.6人工核反应

27.7裂变

27.8聚变

第28章粒子物理

28.1基本粒子

28.2基本相互作用

28.3统一

28.4粒子加速器

28.5粒子物理中尚待解决的问题

综合复习：第24～28章

答案

致谢

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来源：麦格劳希尔高等教育