滬上十月的清晨,有一種干凈的冷意。
陽光被階梯教室高大的百葉窗,切割成一道道鋒利的“柵欄”,投在水磨石地面上。
將一百多個年輕而緊繃的背影,囚禁在明暗交錯的牢籠里。
第一排,衛驍坐姿如松,文具依舊在桌角排成一絲不茍的直線,整個人像一柄磨礪到極致、即將出鞘的利劍。
許嘉誠和周衍則如臨大敵,反復做著深呼吸,像兩個即將踏上拳臺的拳手。
而林允寧依舊坐在最后一排的“風景區”。
開考之前,他口袋里那臺老舊的諾基亞1110,在靜音模式下,輕微地震動了幾下。
他單手滑開鍵盤鎖,幽藍色的屏幕亮起。
【發件人:秦雅】
“我把《TOEFL閱讀長難句100例》的語法結構分析筆記整理好,發你郵箱了,物理決賽加油!^_^”
屏幕還沒暗下,又是一震。
【發件人:夏天】
“林檸檬,我的‘冠軍氣’已經給你了,別給我丟人!”
林允寧看著屏幕上熟悉的顏文字和那句言簡意賅的“威脅”,心中那份因大戰將至而緊繃的弦,莫名地松了松。
他笑了笑,將手機按滅,塞回兜里。
那兩個遠在千里之外的好友,一個溫柔如水,一個熾烈如火,卻在此刻,以各自獨有的方式,化作了他心中最柔軟的鎧甲。
全國中學生物理競賽決賽的理論考場,是全國所有物理天才的修羅場。
三小時,五道大題。
每一道題,都像一位冷酷的劍客。
只出一招,便能精準地斬斷無數人的前路。
前四題,林允寧做得不緊不慢,如同在自家后院散步。
從“旋轉圓盤的電磁剎車”到“非均勻介質中的光線追跡”,題目刁鉆,計算繁瑣,卻依舊在他早已爛熟于心的知識體系射程之內。
真正讓整個考場氣壓驟降的,是最后一頁,那道價值三十分的壓軸大題。
【第五題(30分)】
一個內壁光滑的矩形金屬波導(短截成諧振段),在TE??基模下工作。現于腔內橫向插入一塊厚度為δ(δ遠小于腔體尺寸a)、介電常數由ε變為ε Δε的薄介質片。試問:
1)判斷并估算諧振頻率f的變化方向與數量級;
2)給出頻移與介質片放置位置(橫向)、厚度、介電常數的依賴關系;
3)若將介質片置于電場節點附近,結論又將如何?
“嘶——”
后排,許嘉誠看到題目的瞬間,倒吸一口涼氣。
微擾論!
這根本不是一道題,這是一個由無數個計算陷阱構成的迷宮!
第一排,衛驍迅速在草稿紙上構建了擾動后的等效導納矩陣,開始求解修正后的本征方程。
“這樣太慢了……”
筆尖不停,但她心中有種掉進陷阱的奇怪感覺。
這種方法雖然嚴謹,但計算量太大。
她不由自主地想起了后排那個總是懶洋洋的家伙……
如果是他,會用什么更“野”的路子來解?
這個念頭只是一閃而過,便被她強行壓下。
戰場之上,不容分心。
她重新聚焦于眼前的積分符號,目光更加犀利。
她身旁不遠處的周衍已經鋪開了兩張草稿紙,邊界條件、正交展開、擾動前后的亥姆霍茲方程……
無數個符號如同蟻群般在紙上蔓延,但當他試圖構造微擾后的本征方程時,復雜的三角函數積分和矩陣本征值問題,像一片憑空出現的泥潭,讓他只能煩躁地劃掉,重來。
拆解,重構,再陷入僵局……
汗水,已經浸濕了周衍的鏡片,暈上一團霧氣。
坐在他旁邊一位不知哪一省的選手,只是看了一眼題目,便長嘆一口氣,認命般地將草稿紙翻回正面,開始仔細檢查前四道題的計算步驟。
——這位,已經放棄了。
而林允寧,只是將那支晨光中性筆的筆帽,輕輕“咔噠”一聲按上,又拔下。
清脆的聲響,像在給高速運轉的大腦點火。
“嘖,又是微擾論……”
他心中暗自吐槽,“出題老師沒別的好題目了么?這是鐵了心要用積分把人淹死啊。”
然而,他沒有像其他人那樣,立刻撲進那片由麥克斯韋方程組構成的、深不見底的符號叢林。
他只是在答題紙最下方,隨手畫了一個潦草的長方形,代表波導腔的橫截面。
然后,又在橫向畫了一條平滑的、如同心電圖般的弧線——
那是TE??模式下,電場強度的空間分布:兩側金屬壁處為零,如同平靜的湖岸;腔體正中,能量最強,如同洶涌的浪峰。
一個簡潔優雅,卻蘊含著大量信息的物理圖像,躍然紙上。
他在這幅“心電圖”的浪峰處,用筆尖輕輕點了一個極細、極窄的小黑條,代表那塊被插入的介質片。
此刻,在他的視野里。
這不再是一道電磁學計算題,而是一幅動態的能量畫卷,是一道幾何題目。
諧振腔,是一個封閉的能量池。
插入介質片,就像往水池里丟進了一塊吸水能力更強的海綿。
它會貪婪地“吸收”周圍的電場能量,導致整個能量池的“電容”變大。
而對于一個LC振蕩回路,電容變大,振蕩頻率……
自然會下降。
“嘖,原來如此,繞了半天,不就是個‘水囊并聯’的問題么?還非得用麥克斯韋方程組包層金邊,出題人真夠能繞的。”
林允寧心里嫌棄地吐槽一句,終于動筆。
卻不是去推導繁瑣的邊界條件。
他在圖下,寫下了結論的核心——
能量法的一階微擾公式:
(Δω/ω)≈-(1/2)*[∫(Δε*|E|2) dV ]/[∫(ε*|E|2) dV ]
他沒有去浪費時間去一步步推導這個公式,而是直接引用了結論。
畢竟,競賽場不是課堂,簡單的Slater一階頻移定理結果,沒必要慢慢展開。
但他還是用簡潔的一句話,將這冰冷的數學符號,翻譯成了生動的物理圖像:
“插入介質片(Δε>0),等效于增加了該區域的電能存儲能力。為維持腔內電磁場能量在時間上的平均守恒,系統總能量對應的諧振頻率必須下降。”
第一問,解決!
接下來,一切都順理成章。
他將那復雜的體積分,用一個極其巧妙的近似,變成了與位置相關的代數式:
由于介質片極薄,體積分可近似為:
Δf/f≈-(1/2)*(Δε/ε)*(Sδ/ V_eff)*[|E|2_slab /]
物理圖像清晰無比:
頻移的大小,正比于介質片的體積分數,以及它所在位置的“能量密度”,也就是場強的平方。
他在那幅簡筆畫的中央位置,畫了一個小小的箭頭,標注:
“反節點,|E|2最大,頻移最大”。
又在靠近金屬壁的兩側畫了兩個箭頭,標注:
“節點,|E|2→0,頻移趨近于零”。
寥寥數筆,后兩問的答案,也已經躍然紙上。
最后,他甚至懶得代入任何具體數字,只用兩行清晰的文字,給出了最核心的數量級估算:
“數量級估算:若ε_r ~ 2 (Δε/ε~ 1),薄片體積分數(Sδ/ V_eff)~ 10?3,則頻移量級|Δf/f|~ 10?3。頻移大小與介質片厚度δ、介電常數增量Δε成正比,并強烈依賴于其在電場中的位置。”
答題紙上,那幅簡潔的場分布圖,像是從紙頁里“浮”了出來,擁有了自己的生命。
所有的公式和文字,都像是為它精心編寫的注腳。
第一排,衛驍依舊在筆耕不輟。
她以嚴謹的矩陣理論,構造了擾動后的等效導納,列出了邊界條件的修正本征方程,將“嚴謹”二字貫穿到底。
像一臺極致穩健,卻也無比沉重的德國精密機床。
而林允寧,卻早已將筆帽按回,身體向后,靠在了冰涼的椅背上。
像一個剛剛結束晨練的老大爺,懶洋洋地舒展了一下筋骨。
他翻回試卷正面,又仔仔細細地將前四題的計算步驟和單位,檢查了幾遍。
交卷鈴響起的瞬間,整個考場如同一個被瞬間抽掉空氣的真空罐。
壓抑的沉默之后,是此起彼伏的嘆息,仿佛劫后余生。
監考老師從林允寧身邊走過,收走試卷時,目光下意識地在那幅簡潔的場分布圖上,停頓了整整一分鐘。
……
“呼——”
走廊里,死寂的空氣被瞬間激活。
許嘉誠像是剛從水里撈出來,整個人靠在冰冷的墻壁上,滿頭是汗,大口喘息。
他拍著腦門,對同樣精疲力竭的周衍和有些心不在焉的林允寧說道:
“我靠,我差點被那個該死的邊界條件繞進去了!最后一題比我想的還陰!出題人簡直不是人!”
“別急著高興,”
周衍擦了擦眼鏡,神色卻依舊凝重,他壓低聲音,“我昨天在QQ上和一個上屆進過國家集訓隊的學長聊,他警告我,真正的‘鬼門關’,是明天的實驗考試。”
他頓了頓,推了推眼鏡,鏡片后的目光閃過一絲凝重,講述了一個流傳于競賽圈的恐怖故事:
“他說——去年決賽,人大附中的一個大神,實驗做到一半,突然停了下來。他盯著那臺示波器,足足看了五分鐘,然后對監考老師說了一句話——‘這臺機器的相位在漂移,我需要重新標定它的傳遞函數’。”
許嘉誠的笑容瞬間凝固。
“當時所有人都以為他是神經病,”
周衍的聲音更低了,“但最后結果出來,全場只有他一個人,算對了那個該死的阻尼系數。據說,那個大神交卷的時候,實驗報告后面附了一頁紙,全是關于那臺示-波器傳遞函數的推導。從那天起,圈子里就流傳一句話——在決賽的實驗場,永遠別把儀器當隊友……”
他頓了頓,補上了那句讓許嘉誠汗毛倒豎的后半句:
“把它當犯人審。”
“我靠……別說了,再說我今晚都睡不著了!”
許嘉誠夸張地打了個哆嗦,“我現在看誰都不像好人……呃,林神仙除外啊。”
風從樓梯井里倒灌上來,帶著滬上深秋獨有的涼意。
林允寧拉了拉校服的拉鏈,打了個哈欠,目光卻像一把剛剛擦拭過的手術刀,反著冰冷的光。
他很清楚——那個真正會“說謊”的對手,馬上就要登場了。
……