那些反直觉的物理

川长思鸟来 2022-03-25 05:40 230阅读 0赞

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你的眼睛会欺骗你，你的耳朵会欺骗你，你的经验会欺骗你，你的想象力同样会欺骗你，但是数学不会。

没有哪个物理规律是不反直觉的，比如牛顿第一定律就很反直觉，否则就不会坑了亚里士多德，还坑了一千多年。我们现在觉得他不反直觉，是因为我们上学学过了。

现代物理学有很多反直觉的东西，相对论和量子物理让人有种岂有此理的感觉，而对于物理学家来说，并不存在什么”直觉“，闭上嘴，计算它！

先来个开胃菜，流体力学有个非常有趣的科普实验，我也就小时候看过一次，是在中国历史博物馆的一次外国科普展上。和高中那些流体力学实验比起来，反直觉效果拔群，非非常。

流程很简单：一个抽油烟机一样的装置，只不过并非吸气，而是向外喷气。将一个有一定质量的金属片，用手托住，水平地，从下往上贴向吹气口。当距离靠近风口时，首先你会感到手受到的力量变大，但是当继续靠近风口时，压力骤降。这时候松手，你会看到，金属片贴在了风口出。

小时候不懂，当时就眼睛和嘴巴就“三个O”了。以为有什么机关，走近看，突然发现，风口不是被堵住，而是继续有风吹出。继续近距离观察，发现金属片居然和风口之间居然还有一小段距离。这个金属片是悬浮在空中的！上面吹风，铁片有重量，两者应该都导致铁片落下，但是他就偏偏悬浮在空中。

这个现象无论你如何用朴素的常识去解释，都是相悖的。印象太深刻了，上中学的时候，一直期待流体力学的实验，但最后见到的却是乒乓球……，当时之失望，直想掀桌而去。呵呵，相信如果我们教育部门用的是这个实验来展示流体力学，会让更多的孩子爱上物理，当然，这里也理解国内教育资源的匮乏。但是不妨多办些有趣的科技展，科学虽好，也需要推销的。

最后说到原理，其实很简单，就是伯努利方程，流速越快，压强越小。压力差，导致铁片被大气压顶向风口出。悬浮，是重力，空气推力和大气压之间的平衡。但是真做出来这个装置，还是需要点小精细的，比如气流要稳定，不能太大也不能太小。

前面说了，相对论和量子物理中有大量的反直觉的物理现象，说到这两个理论，就不得不说“光”，人们对于光的兴趣，可以说是自古有之，古人千方百计想搞明白光是什么，于是出现了很多靠谱不靠谱的解释，亚里士多德说了（怎么总是他？），光是一些微小的粒子，由光源发出，这种观点后来被牛顿写在他的神书《光学》里，牛爷在这本书里用一系列的推理和实验支持了光的粒子说，而当时的另一位大牛-惠更斯却不认可，他说光如果是微粒，为啥对射的两束光怎么不会发生光粒的碰撞？于是他也写了本神书《光论》，并且完美解释并推导了光的反射折射定律。

此后的一百多年，光的粒子说和波动说，两方各有道理，但谁也无法拿出对方无可辩驳的实验来说服对方，波粒大战从此拉开帷幕，江湖从此血雨腥风，刀光剑影。直到有位年轻人的出现，暂时终结了这场持续百年的纷争，他就是托马斯.杨，他用一个家喻户晓的简单实验--光的双封干涉实验，来证明了光的波动性，从此，波动说一统江湖。

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泊松亮斑

而波粒之争其实愿没有结束，之后的剧情发现不但反直觉还有这极反转的剧情，因为泊松亮斑的提出者泊松，是光的波动学的反对者，作为一个理性黑，他通过波动学的计算方式，得出在一个圆片的阴影中心应当出现一个亮点，他觉得这太JB扯淡了，并且认为这个计算结果足够证明光的波动说是荒谬的。 由于光的衍射，当单色光照射在宽度小于或等于光源波长的小圆板或圆珠时，会在之后的光屏上出现的一个极小的亮斑。

结果菲涅尔和阿拉果通过实验，发现了这一亮斑！就这样，你辛辛苦苦做的用来驳斥对方的论据，反而支持了对方。

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波粒之争我们暂且告一段落，来说说光的另一个反直觉的现象，光速不变。

说到这个话题，几乎是宇宙吧永恒的日常话题，每隔几天总会有人拿这个话题水一贴，实在是因为光的这个性质太TM反直觉了，简直就是岂有此理，它不仅为本吧的吧友提供了大量的谈资，也是困扰一百多年前所有物理学家的主要难题之一。之所以说它是反直觉的，或者我们换一种说法:有悖常理的，是因为它所违背的“常理”，在我们的思维定式中太根深蒂固了，它甚至违背了经典物理的根基-伽利略变换。什么是伽利略变换？很简单，伽利略告诉我们，物体的移动速度并不是恒定不变的，速度这取决于它所对应的参考对象，也就是参考系。比方说，汽车的速度是100km/h，这个速度是相对于静止物体的速度，另一辆与它同向的车是80km/h，那么它们之间的相对速度就是20km/h，如果是相向行驶，那它们的相对速度就是180km/h。这没有问题吧？简直天经地义，童叟无欺啊，然而这该死的光，却偏偏很任性，它可不打算遵守这看起来似乎是真理的规律，它很任性的告诉我们:光速对于任何观察者来说都是相同的（原话为:光在真空中的传播速度与参考系无关，恒定为C）。什么意思呢？假如我们把一束光换成上面例子中的汽车，它的速度是C，那么另一辆车换成宇宙飞船，它的速度是v，那么这束光的速度我们在地球上测是C，在飞船上测还是C，而不是C-v或者C+v，无论你跑着测，跳着测，躺着测，还是接近光速飞着去测量，它的速度都是C，即使你逆向光运动去测，它还是C。

光速不变另当时的物理学界有点不知所措，你承认它吧，它和经典物理体系矛盾。不承认呢，又和现实矛盾。所以当时很多科学家都试图在经典物理学框架内来解释光速不变，其中有个很牛逼的人，叫洛伦兹，他意识到伽利略变换可能是有问题的，所以他自己搞了个参考系变换，人们叫它洛伦兹变换。这个变换式以光速不变为前提，给出了新的空间速度的关系式。然而这个方程组里，似乎隐藏着什么东西，揭去遮盖它的层层面纱，人们越来越接近真相，而扯开它最后一层遮羞布的人，叫做阿尔伯特.爱因斯坦。

1905年的第一场雪，比以往时候来的更晚一些。这一年，当时默默无闻的爱因斯坦连续发表了5篇论文，而彻底改变了传统物理学，奠定了物理学发展的基础。百年后的2005年（也是爱因斯坦逝世50周年），联合国将这一年定为国际物理年，以纪念这个物理学的“奇迹之年”。在爱因斯坦的这5篇论文中，有一篇名为《论运动物体的电动力学》，被认为是狭义相对论的出生证，爱因斯坦在这篇论文中，以光速不变为基本假设，详细论证推理了匀速直线运动物体在空间的相对状态，它将空间与时间联系起来，认为它们是互不独立的整体，形成了新的四维时空观，也就是说，时间和空间，是一个整体。

我们来看看狭相的一些结论，看看小爱用光速不变推导出了什么结论。

1 时间膨胀（速度越快，相对时间就越慢）

2 质量膨胀（速度越快，相对质量就越大）

3 尺缩（速度越快，相对运动方向的长度越短）

4 光速不可超越

5 质能方程

更一个经典物理的反直觉现象：进动

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小时候我常玩这种陀螺，神奇的是它明明已经失去重心，却一直不倒，是什么力让它这样毅力不倒的呢？

高速旋转的物体存在一个角动量，方向符合右手螺旋定则。重力的力矩M=L×F（注意，是叉乘），其方向也符合右手螺旋定则。在旋转体中，角动量方向与转轴方向平行。根据叉乘的性质，力矩方向始终垂直于转轴方向，即始终垂直于角速度方向。而力矩直接引起角动量的改变（可类比力引起速度的改变），所以角动量方向不断改变。又因为力矩始终拉着角动量往垂直于角动量的方向走，所以角动量方向绕轴旋转。转轴划出一个圆形的轨迹。

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牛顿摆

牛顿摆是一个1960年代发明的桌面演示装置，五个质量相同的球体由吊绳固定，彼此紧密排列。又叫：牛顿摆球、动量守恒摆球、永动球、物理撞球、碰碰球等。

牛顿摆是由法国物理学家伊丹·马略特最早于1676年提出的。当摆动最右侧的球并在回摆时碰撞紧密排列的另外四个球，最左边的球将被弹出，并仅有最左边的球被弹出。牛顿摆可近似看做完全弹性碰撞！

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当然此过程也是可逆的，当摆动最左侧的球撞击其它球时，最右侧的球会被弹出。当最右侧的两个球同时摆动并撞击其他球时，最左侧的两个球会被弹出。同理相反方向同样可行，并适用于更多的球，三个，四个，五个……。但是，五个等大等重的钢球并排悬吊，抬起三个球，放手，三撞二，竟然撞出去了三个球而不是两个球。

跟着水走的光

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用激光笔从瓶的一端射入，垂直穿过水中，会看到光“拐弯”了，跟着水一起流到手上。

原理：全反射：又称全内反射，指光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。空气的折射率约为1，水的折射率约为1.33，故水对空气而言为光密介质，光被全反射回水内。

接下来说说量子物理。

关于量子物理，反直觉的东西简直一抓一大把，我相信大家或多或少都听过一些，比如不确定原理，薛定谔的猫，量子纠缠等等，我们看来如读天书，很多人感叹“量子物理，不懂啊，晕”其实不懂量子物理，是非常正常的，诺奖得主，物理学家费曼说“我可以很有把握的说，没有人懂量子物理。”量子物理的创始人之一，波尔说“如果谁不为量子物理感到困惑，那么他还没有理解量子理论。”看看，连他们都这么说，那我等就更不敢吹牛了，我们只是粗浅的了解下这个理论的一些内容。

值得一说的是我们虽然对这个理论感到困惑，但是物理学家们有关这个理论的数学公式却是物理学有史以来最精确的，百年来它们不断的经过验证，所以量子物理和相对论并称为现代物理学的两大基石。

还记得上面说到的有关光的本质的争论吗？几百年来，人们一直在争论光到底是波还是粒，而在量子物理中，就连组成物质最基本的粒子，都变得不那么真实了，1929年的诺奖第一次，也是至今唯一一次颁发给了一篇博士论文，作者叫德布罗意，爱因斯坦评价这篇论文，说他“拉开了大幕的一角”，因为这篇论文提出了一个颠覆性的概念:物质波。

什么是物质波？简单说，就是组成物质的微粒，拿电子来说，其实就是一种波，而所有的这些微粒，都具有波粒二象性。也就是说它同时具有粒子的性质，也具有波的性质，当然，既然所有的物质本质都是波粒二象性，那当然也包括光了。  
什么？物理学争论了几百年的东西，结果你说他们都错了？你算老几？怎么证明呢？别急，人家已经给出了验证的办法，解决物理问题的唯一办法就是实验，德布罗意说既然电子是波，那它就会有波的性质，比如衍射啊，干涉啊，如果我们能让电子通过一个小孔，那么它就会发生衍射。后来有个叫汤普迅的家伙做成了这个实验，得到了电子衍射图，而他的爷爷，老汤普迅正是用实验发现电子的人，也是他用实验证明了电子的粒子性，这爷俩也是有点意思。

波、粒这对生死冤家，无论是看概念，还是看形态，无论是看外表，还是看内心，它们之间都没有任何逻辑联系，如果非要说有联系，那就是你死我活！在光的本质之争中，它们各司疆域，各领风骚，势成水火，来来往往斗了几百年，直杀了个硝烟弥漫、天昏地暗，从波义耳、牛顿、胡克、惠更斯、托马斯·杨、马吕斯、菲涅尔、拉普拉斯、泊松……到麦克斯韦、赫兹、普朗克、爱因斯坦、玻尔……两军阵前，随便拽出任何一个将领，都会把咱俩和小伙伴们惊呆的！波粒大战，是人类顶级智慧的大PK！现在，光的波粒之争还没平息，又把围观群众——以电子为代表的粒族——也就是所有物质卷了进去，光的内战，变成了真正的世界大战！徳布罗意，你是唯恐天下不乱吗？！  
       双方打得鼻青脸肿、丢盔卸甲，却丝毫没有结果。物理世界的天幕神秘而厚重，肃穆的背景深处，隐约透出阵阵郁积已久的骚动，似乎有某种恐怖的东西正在逐渐接近，沉着而坚定，从容舒缓而势不可挡。  
“大幕被拉开了一角”，幻光乍泄，转瞬便湮灭在一片阴影之中。

电子通过小孔而形成的衍射图像，证明了电子，其实一种波，有关这个实验的一些后续实验，则真正的为我们揭开了这个世界的一些可怕的本质，这个我们待会再说，先来看另一个概念。  
前面说，所有的粒子都具有波粒二象性，那么它们什么时候是波，什么时候是粒呢？这个问题困扰着科学家们，折磨着他们的神经。  
       要搞清楚这个问题，首先来说下微观粒子的一些特点，基本粒子都有一些基本的物理量，比如动量，位置等，但是我们无法同时知道粒子的所有物理量，我们可以去测量粒子的位置，但我们就无法得知粒子的动量，反之亦然，这叫不确定原理，也叫测不准原则，为什么会有这种结果？丹麦物理学家波尔说:正是因为波粒二象性，才导致了这种不确定性。回到刚才的问题，什么时候是波，什么时候是粒？波尔说，它任何时候都是波，任何时候都是粒，物质始终处于波和粒的叠加态，但是我们的观测行为，会让它的波粒性坍缩，他就会变现出一种性质，呈现给我们看，要么是波，要么是粒。比如我们做光干涉实验，他就会表现出波的性质，做光电效应实验，又会表现出粒的特点。

观测导致结果变化，你以为你是谁？是上帝吗？只是因为在人群中多看了你一眼，就会改变事物的因果关系？这种事不要说我们难以接受，就连很多科学家都站出来反对，比如说薛定谔。  
老薛说波尔你可拉倒吧，可别扯了，你别整没用的，你说观测决定结果，按照你的说法，假如有一个盒子，里面有只猫，还有一个装置，这个装置里有放射性元素，而它有50%的几率会衰变而触发装置机关，释放毒死而杀死猫，也有可能不会衰变而猫活下来。按照你波尔的说法，如果我们不去打开盒子，就无法得知猫的死活，而猫则处于一种“生死叠加态”，它既不是死，也不是活，要等到我们打开盒子，才能“决定”猫的死活，注意是决定，而不是发现，因为观测决定了元素是否衰变，也就决定了猫的死活。而这种半死不活的猫，就像哈姆雷特里的台词:生存还是死亡，这是一个问题。

老薛认为这种“生死叠加态”是有违逻辑的，以此来否定波尔的解释，认为它一定是不完备的。而老薛这个思想实验，现实中却无法通过实验来验证，因为根据波尔的解释（史称哥本哈根解释），打开盒子后，我们只能看到一只活的或者死的猫，而我们永远无法观察到一直“生死叠加态”的猫。注意，这里的打开盒子观测只是诸多观测行为的一种，任何其它的观测行为都会导致同样的结果，比如在盒子里装摄像机等等。那么我们是不是永远无法在逻辑上验证这种观察者效应呢？不，还记得上面说到的那个有关电子的实验吗？

单电子双缝干涉实验

之前我们让电子通过小孔，得到电子衍射图像，证明电子是波，那么我们让电子去做托马斯杨的干涉实验呢（之前那个光的双缝干涉实验，还记得吗）？实验难度非常大，具体不细说了，感谢万能的科学家，在他们的努力下最终做成了这个实验。具体实验原理是这样的:让单个单子通过两条缝隙，让电子产生干涉，在缝隙后的感应屏上产生干涉条纹。

这事说起来简单，但是仔细想想好像很不对劲，首先单个电子如何通过两条缝隙？难道电子会分身术吗？两条缝隙的距离非常小（10∧-9米），但是对于电子来说，这个距离是电子身高的270亿倍，如果电子是个1.7米的人，这个距离相当于地月距离的120倍，电子是如何做到瞬间分身如此遥远的距离？其次干涉这种事情，一个人是无法完成的，光只有和它频率相同的光才会干涉，单个电子是如何与自己干涉的呢？

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事情开始变得诡异起来，干涉条纹清晰的出现，说明电子的确是同时通过了两条缝隙，电子的波粒二象性让它通过缝隙时是波，然后与自己干涉，在屏幕上有展现出自己的粒子性，那么电子难道是有思想的吗？它会决定自己什么时候展现出波的性质，什么时候又变成粒子？为了搞清楚这个问题，科学家们又改进了这个实验，去看看电子到底是如何同时通过两条缝隙的。怎么做？在缝隙后面加装一种装置，可以感应电子是否通过，能够测定它到底是是从那条缝钻过来的。然而这个实验一做，更诡异的事情出现了。

干涉条纹消失了。难道是实验出了问题？在排除设备本身对电子的干扰因素后，干涉条纹依然不会出现，这说明电子此时只通过了双缝中的一条，那么是左边还是右边呢？50%的概率。关掉检测装置后，干涉条纹又会重新出现，电子再次同时通过两条缝隙。

观测影响电子的运动，不观测时，电子以波的形式通过，而观测时，电子以粒子形式通过。够玄乎的吧？这确确实实就是当时得出来的结论。

但是更玄乎的还在后面。1979年在普林斯顿举行了一场纪念爱因斯坦诞辰100周年的活动。会上爱因斯坦曾经的同事提出了一个实验，这就是著名的延迟选择实验”。前面说过，人们一观测，电子就呈“粒子形式”运动，人们不观测，电子就以波的形式通过双缝。如果我们根据电子的速度，当确定它已经通过双缝之后，迅速的在后面的板上放上摄像机，会出现什么情况？

此话一出，天崩地裂。

无数的科学家马上开始动手设计实验，（当然最终的实验要比上文中描述的复杂的多， 但其核心逻辑是一样—延迟选择。所以解释实验结果的时候依然假设实验就是上面说的这个极其理想化的版本， 不然又要写上大段的文字了）

5年之后，马里兰大学宣布实验已经成功，结果是当我们在确定电子已经通过双缝后，迅速的在后面的板上放上摄像机的结果是—没有干涉条纹！反之亦然，如果迅速的拿掉摄像机，又会出现干涉条纹，即使我们在决定拿掉摄像机的时候，电子已经通过了双缝！

这说明了什么？我现在的一个动作（是否放摄像机），可以决定电子过去的一个动作（以什么方式通过双缝）！？传统世界的因果论已不复存在。或者这样说更容易理解一点：传统上我们认定的因果论，只是一种经验，而绝非这个世界的本质！！

然而，科学家们决定，将疯狂进行到底。把因果律谋杀在实验室里，不够壮烈，不够火爆。于是，他们雄心勃勃的目光瞄向了宇宙深处。1979年，人们发现了一对相距5.7角秒的类星体A，B。离我们人类有上亿光年远。它俩的亮度、光谱什么的都差不多。后来才知道，这是同一个类星体被引力透镜作用搞出的两个像。类星体的万道光芒光走了不一样的路，有两道碰巧被引力透镜弯到了同一个地球。科学家提出，用望远镜、光导纤维等工具，把两条路上的光子引诱到延迟实验装置，可以完成星际延迟选择实验！

星际延迟选择？听起来好难！其实，只是多了两个望远镜和光导纤维而已，所以，这个实验基本没什么难度。然而，实验结果却让人咋舌：类似的延迟原则可以瞬间决定星际光子的旅行路线。要知道，它们上亿年前就已经出发了呀！因果的时间顺序惨遭蹂躏，事件的定域性倍受摧残。

有关双缝实验和延迟原则就说到这里吧，对于这些实验的解释，量子力学目前只有一些等待验证的假说，比如我们之前讲过的哥本哈根解释，前面也说了，就连大科学家们都对量子力学感到头疼，我等就不要奢望去弄懂它们了。

需要说的是，有关量子力学的一些哲学意义上的解释，很多科学家们似乎并不关心，而这些问题的本质似乎总是牵扯一些形而上的东西，哲学里关于唯物唯心的争论其实无关物理学，本帖的开篇就说了，你的眼睛耳朵思想想象经验都会欺骗你，但是数学不会，我们关于量子力学的理论是人类智慧的结晶，量子力学的方程百年来久经考验，它的发展也带动了应用科学的发展，对于科技的推动巨大，人们现在的几乎所有科技成果都离不开量子力学。

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