宇宙奇点数学公式（一个特殊的大号教具竟能完美演绎宇宙公理）

在6月10日直播的《张朝阳的物理课》上，我们注意到了一个大号“教具”－沃尔沃XC90，有着麻省理工物理学博士身份的张朝阳，也是首次将如此特殊的教具带到课堂之上。那么，张朝阳的物理课与这台汽车又有什么关联呢？这就要从这节物理课讲授的内容说起了。

首先来看“课程表”：量子力学、氢原子的薛定谔方程、宇宙大爆炸……我相信，很多人看到这里已经打起了退堂鼓，但没关系，我们保证文章与物理课一样的深入浅出，我们再拿放大镜聚焦一下，就能轻易发现二者间的联系。

聚焦与联系1：探究量子力学与车身材料的安全性

学习过程讲究的是从理论到实践，那么我们是怎样从量子力学过渡到车身材料的呢？

首先，宇宙大爆炸理论是说在爆炸之初，物质只能以夸克、胶子、电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。

随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。

在这个过程中，元素通过一定的顺序被产生出来，相对较轻的元素产生的过程一般是我们熟悉的核聚变，例如两个氢原子核通过聚变产生氦原子核；氦原子核聚变产生碳原子核……以此类推。而重元素则可由快、慢中子俘获产生。不同的元素有不同的原子量以及化学性质，它们被门捷列夫于1869年制成了元素周期表。

这其中，与我们息息相关的是铁元素，可以说这个元素贯穿了人类发展的始终。古人冶铁炼铁，生产出铁质工具，提高了社会生产力；现代人类则通过在铁中加入不同的材料配比来制作不同种类、不同用途的钢材，用于生产建设。

宇宙演化的过程为人类提供了各种不同性质的元素，而人类则可通过组合不同的元素，来生产新的材料。沃尔沃XC90的车身，就能最贴切地用于具象化描述这一现象。

沃尔沃XC90的车身采用“硼钢”制成，这里有两种不同材料：硼和钢。钢我们熟悉，铁元素和碳元素以一定比例混合，含碳量为0.03%～2%为钢；含碳量2%～4.3%的为生铁。

张朝阳在物理课上讲到，金属的塑性形变是通过位错的运动来进行的，碳原子的加入会阻碍位错的运动，从而阻碍金属的塑性形变，强度就会提升。

虽然含碳量更高的生铁比钢更硬，但生铁脆不能锻压，需要寻求其它提高钢材料强度的办法，在钢中加入硼元素就能达到此目的。 硼元素与碳原子造成的固溶强化不同，它是通过提高钢材的淬透性，让淬火更加深入从而提升材料强度，高强度的硼钢这种材料就应运而生。

硼钢是在普通钢材加热到950°时加入硼元素，添加后一次快速冷却成型。其硬度是普通钢材的4倍，而且强度、韧性和耐磨性也都优于普通钢材。

早期的军用车辆都是用它，直到后来有更轻、更坚固的材料出现，于是硼钢就被转为民用，现在被广泛运用在机床的刀头，每平方厘米可以承受超过15吨以上的重量。

而沃尔沃XC90就是在车身用料中大量采用了这种硼钢材料，使用量接近40%，每一平方厘米就能承受住两头成年大象的压力，这就为每一个驾乘者提供了强大的安全保障。

沃尔沃，是首个运用硼钢作为车身、底盘材料的制造商，1944年，沃尔沃还首创笼式安全车身，搭载车型PV444，被称为“驾乘安全舱”。

通过笼式框架型结构将碰撞力传递分解到整个车身，避免局部受力过大引起结构性破坏，在遇到强烈碰撞时，通过整个车身快速吸收碰撞的能量，使得冲击力迅速分解消耗掉，最大限度保护驾乘人员安全。这使得XC90系列创造了连续14年驾乘人员无死亡的记录。

近年来汽车行业竞争激烈，各种“新势力造车”如雨后春笋般崛起，诸多汽车品牌都会考虑通过降本减配的方式提高利润，但沃尔沃始终坚持品质不变，一路追求极致的“安全与健康”，不管是在看得见的地方，还是看不见的地方都不遗余力地守护着每个生命的安全，初心不改，坚信“唯爱与生命不能辜负”。

除了前面讲到的硼钢车身架构之外，其实沃尔沃还为驾乘者配备了诸如全系标配的City Safety城市安全系统、标配7气囊、预紧式安全带、WHPS头颈保护等辅助安全设定/系统，滴水不漏的安全理念设计，让其在2017年、2021年均获得了有着世界上最严苛标准的IIHS（美国公路保险协会）“Top Safety Pick”（最高安全选择奖）的认证。

之所以说IIHS的标准最为严苛，是因为他们有着被各大制造商视为“眼中钉”的25%小重叠面积碰撞实验。我们已知撞击力一定的情况下，撞击面积越小，压强就越大，对车身材料强度的要求也呈指数上升。而沃尔沃所采用的硼钢 笼式车身，以远超IIHS严苛要求的标准，最大限度地保证了车身不变形。

聚焦与联系2：探究量子力学与车内材料的选用

通过物理课上一部分对硼钢的讲解，我们已经知道，微观原子、分子的不同排布方式决定着宏观材料展现出什么样的性质。这个性质包括物理性质与化学性质。比如前面提到的强度、韧性、触感，甚至颜色与挥发出的气味。

在这里，我们的教具——沃尔沃XC90再次出场，因为在车内材料无异味上，恐怕没有任何一家汽车厂商可出其右。

沃尔沃的选材标准围绕两个“低”：低挥发与低污染。其中低污染遵循的标准高于国家《乘用车内空气质量评价指南》1500倍；低挥发则代表沃尔沃在车内使用的多是水溶性材料，而非挥发性强、对人体有害的传统油性材料。

车内阻尼材料曾经惯用沥青，它可以缓解车身震动、降低噪音。但沥青本身含有很多对人体有害的物质，它在车里时间久了会挥发出来，甚至会致癌。

我们听说过某些汽车品牌阻尼材料致癌的案例，其原因就是采用了沥青用作车身阻尼材料。沃尔沃为了避免这类情况，在座舱采用可喷涂阻尼材料（SSD）和丁基橡胶替代传统的沥青阻尼板，达到隔音降噪效果的同时也使得车内有害物质含量接近于0。

特定材料的分子通过挥发，经由人的嗅觉传递给大脑。每一辆沃尔沃的座舱用料，都通过了“鼻子小组”（Nose Team）以嗅觉的方式进行检验。

“鼻子小组”由8人构成，以敏锐的嗅觉用从1到6的级数来评鉴车内材质散发的气味，每项检测结果总和不能超过3，以确保座舱气味舒适宜人。

聚焦与联系3：量子力学相关推导——控制车内空气的关键

我们通过运用量子力学的方法进行分析，就可以进一步研究分子级别的问题，比如：空气质量。

研究座舱内的空气质量，想必还是我们的沃尔沃XC90最具有发言权。抓住空气流动的本质规律，才能有的放矢地去净化它。沃尔沃XC90在车内采用了四种“纯净座舱净化技术”：CZIS主动式座舱净化系统、AQI空气质量实时监测系统、IAQS智能空气循环控制系统以及AAC双效增强空气净化系统。

其中处于核心的，是沃尔沃配备的AAC双效增强空气净化系统，通过活性炭滤芯与静电捕捉两种方式来吸收空气内的杂质。而负责指挥其工作的，是IAQS智能空气循环控制系统，它能通过传感器，监测，识别到有害气体，自动切换空气内外循环模式，防止车内有害物质浓度的提高。

双效空气净化系统由活性炭滤芯和负离子发生器共同组成，其中滤芯对PM2.5的过滤效率达到95%，半径更小的颗粒物比如PM0.1也可有效过滤。负离子发生器则让颗粒物带上负电荷，让后者更易被带正电荷的滤芯捕捉。

用耐心与笃定为你准备了这节精彩的物理课堂

在现实生活中，我们其实每时每刻都在使用着现代物理学的成果，尽管你可能并不知晓这其中的奥秘，但在张朝阳的物理课上，你可以通过最简单的生活常识一步步探究物理知识的神秘海洋。

同样，沃尔沃汽车XC90在制造过程中其实也利用了诸多复杂的物理原理，你平时也许对它毫不在意，但通过这节绝妙的物理课，你会发现原来沃尔沃已将它们化为安全健康所用，无时无刻不围绕在你的身边，全方位地守护着你和你爱的人。

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