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校园里演绎不同国家、多元文化之间的科学对话
联合国教科文组织ICTP项目在上海交大举办[图]
[发布时间]: 2012年06月30日
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[责任编辑]: 曹杰

  一个人走着走着,然后起跑,走路和跑步之间有临界点吗?为什么竞走运动员在比赛过程中虽然健步如飞,坚持不懈,但是他们的速度却不能达到百米赛跑中的跑动速度?为什么在看似万里晴空的情况下,飞机会发生抖动?如果在实验室里,通过简单有趣的方法,将一些科学问题用物理原理来模拟、解读,真是奥妙无穷!在上海交通大学闵行校区物理实验楼里,这些让人大开眼界实验在不同国籍的物理学家和学生手中演绎。

图为顶尖物理学家演示中国传统杂技“胸口碎大石”现象

图为工作人员演示人行下走与跑步运动规律的实验

  6月29日,上海交大联合联合国教科文组织国际理论物理中心(ICTP)举办的第四届复杂系统国际暑期学校成果展示举行,这为历时两周的复杂系统国际暑期学校划上一个圆满的句号。

  多元文化之间的科学对话

  据主办方上海交大介绍,复杂系统国际暑期学校是一个以在发展中国家中推广物理实验研究为宗旨的项目。该项目以校园实验或演示为载体,通过国际顶尖物理学家的讲授前沿物理问题和基本实验演示,不同国家的高校师生的研讨、实验,以实现多元文化之间的科学对话。

  在为期两周的暑期学校中,来自中国的上海交通大学、北京大学、北京师范大学、香港中文大学,印度等离子体研究学院,美国的普林斯顿大学、加利福尼亚大学、范德堡大学、德克萨斯大学、马里兰大学、埃默里大学、佐治亚理工学院、西弗尼吉亚大学、欧林工程学院、纽约城市大学等各个知名大学的教授亲自讲授前沿物理问题和基本实验。

  此外,来自中国、印度、印度尼西亚、尼泊尔、马来西亚、蒙古、约旦、菲律宾、越南、泰国、斯里兰卡、巴勒斯坦、巴基斯坦、孟加拉、埃塞俄比亚等75位来自18个发展中国家的学员通过亲手操作这些实验设备对复杂系统中一系列前沿问题做深入研究。学员通过该国际暑期学校,能接受到科研选题、实验设计、数据采集、撰写论文和基金申请等多方面的训练。

  生活小现象蕴含物理大道理

  你有没有想过,为什么竞走运动员在比赛过程中虽然健步如飞,坚持不懈,但是他们的速度却不能达到百米赛跑中的跑动速度呢?换句话说,人类行走的速度为什么远没有跑动的速度快,行走与跑步的区别到底在哪里呢?

  暑期实验活动中,来自佐治亚理工学院的丹尼尔. 高曼教授用很简单的器材研究动物的不同运动模式,清楚地将两种模式的不同与人类行走跑步的临界转变点清晰地直观的呈现出来。通过视频跟踪技术,传感测压技术与后期的建模与数据分析,让我们看到了不同速度下人类需要不同的前进方式,或跑步或行走,其中有一个步行与跑动的速度转换点,这就像烧开水,水的状态在达到沸点时会有剧烈转变,即沸腾。通过这种直观的研究,对于行走与跑步,我们有了深刻而又生动的认识。

  为什么在看似万里晴空的情况下,飞机会发生抖动?这就是湍流现象,即当物体在流体中速度很大,产生不稳定流动的现象,这种现象至今是流体力学中一个重大而又关键的难题,流体力学在飞机船舶与汽车设计制造领域,在气象水利等行业有着极为重要的作用,如在飞机飞行过程中,对于飞行平稳与安全有一定影响。在这次暑期实验活动中,来自佐治亚理工学院的迈克尔.沙茨教授将湍流的现象,在一个长宽十厘米的小水槽中,利用磁场与电场的相互作用推动水流,进行了方便的模拟与细致的研究,同学们对于沙茨教授实验组别具匠心的实验设计与实验过程中变化莫测的湍流形式兴趣高涨,不断探究,并且配合计算机对于流体运动的捕获与分析,使同学们对于湍流有了更加深入的了解。这对于非线性系统的研究,可以有力的指导天气预报,海洋洋流等现象的预报。这种以小见大,以大见小的流体力学中的研究方法,便是“一花一世界”的最好诠释,小到细胞周围的液体,大到整个地球海,都可以通过流体实验的精心设计,将整个流体世界放到一个小水槽中,跃然“桌上”。

  科学实验无国界

  在该项目的前期准备中,17位来自欧美知名大学的实验物理学家在交大搭建了12套先进的实验设备。

  来自美国的物理实验学家肯·肖瓦尔特引导学生们做了化学振荡的实验。这个实验的应用非常广泛,在生活中经常可以看见。比如我们可以看到斑马身上有很美丽的花纹,以及一些动物会随着环境的颜色变化而改变肤色。实验使同学们弄清楚了导致这些现象发生的原因是不同浓度的化学物质的混合发生的反应。

  ICTP暑期学校中国组织委员会主席、上海交大自然科学研究院院长蔡申瓯教授介绍,科学的基础和最终验证都是实验。联合国教科文组织ICTP项目在交大举办,不同国籍的物理学家和师生同台实验,充分体现了科学无国界、探求真理的精神,对发展中国家的学生未来在科学领域的发展有很大的益处。

  在整个活动过程中,联合国教科文组织ICTP项目教授们每次不仅亲手为各国学生们调配实验溶液,在实验过出现问题也都会悉心指导,手把手教会他们,整个实验在非常温馨的气氛中进行,有时候做完实验,教授们还会跳一支舞作为对学生团队的鼓励。

  “每天都有不同国家的学生参与实验,在实验过程中,经常可以听到学生惊讶的叫声,因为他们看到了与他们通常实验中完全不一样的结果,那是惊喜的尖叫声,那是得到科学结果的喜悦”,参与该项目的上海交通大学致远学院许志钦同学说。

  联合国教科文组织的国际理论物理中心复杂系统国际暑期学校以在发展中国家中推广物理实验研究为宗旨。由于很多发展中国家缺少实验器材和经费去做实验,导致无法开展大型实验,所以项目学习侧重指导他们如何利用有限经费开展小型前沿科学实验。

  ICTP暑期学校中国组织委员会成员,上海交大本次暑期学校主要负责人张何朋教授介绍,这一次暑期班的各种实验设计简单但富有深刻物理内涵。学生亲手操作,两三个小时里就能看到非常奇妙的实验现象。这些第一手的实验经验一定会激发学生对科学的兴趣,加深他们对于科学精神的理解。有多个参与学生表示他们将在自己的国家复制暑期班中接触的实验,推动物理实验研究。

 

[作者]: 杜婧 聂映玉 
[摄影]:
[供稿单位]:
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