有哪些物理學上的事實,沒有一定物理學知識的人不會相信?

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布協:

單電子雙縫干涉實驗

【不是球?】

像我這樣的沒有物理學基礎的人,一直以來都錯誤地把那些微觀粒子想像成一個實體的「小球」,比如電子,盡管很小,但依然錯誤的認為是一個「小球」。真的很難相信這樣的「單個小球」會同時穿過兩條縫隙產生波的干涉條紋。更令我難以接受的是其後的「觀察者效應」,當研究者試圖去「觀測」每個電子的穿過狀態時,干涉條紋竟然神奇的消失了。


【實驗過程回顧】

詭異的單電子雙縫干涉實驗


【由此實驗產生的「電子是粒子還是波」的爭論】選自《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》


答者並沒有物理基礎,因而才對這樣的實驗現象才感到難以置信。

如果各位被這個臭名昭著的實驗激發了好奇心,不妨就對其背後的量子物理淺嘗輒止一下。還是可以令你著迷和抓狂的。

【推薦一本講量子物理髮展過程的書】

《上帝擲骰子嗎?量子物理史話》

某寶22元,網上有電子書。科普書,通俗易懂,像講故事。

各位想了解量子物理這個實驗的相關知識,請去這些地方更靠譜:

如何理解單個電子能產生雙縫干涉?這個實驗幾乎把我三觀摧毀了】 【單電子雙縫干涉與起源】【為什麼我怎麼也理解不了波粒二象性,是因為智商不夠嗎?(高贊)】【量子物理


希望你的波函數坍縮在我的上。

您在我的頭像里找到的帶★★★★★的就是我認為還不錯的回答,如果能得到您的認可,我會非常高興的。


楊柳:

謝邀。

太多了,答主學了三年物理(大學部還沒畢業),隔三差五就要三觀砍掉重練一回。本答案長期更新。

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首先是答主心目中的理論物理的中心教條:Noether 定理。大致就是每一種連續對稱性都對應一個守恆量。

連續和離散對稱變換

對稱性就是系統在變換下不變的性質。數學上用群(確切的是群表示)來描述。

例如,一個圓繞圓心轉任意角度,和原來的圓是不變的,就說圓在平面旋轉下對稱。數學上這種對稱性用李群$\mathrm{SO}\left(2\right)$描述,意思是二維歐氏空間中的旋轉(術語叫「特殊正交變換」)。這是幾何圖形的對稱性。

又如,二維平面在繞任意點的旋轉、沿任意軸的反射、沿任意向量的平移,以及它們的有限次復合下不變。它們構成二維歐幾里得群或保距變換群(好像也有叫仿射群的)$\mathrm E\left(2\right)$。

又如,三維空間中質點的牛頓第二定律為
\[\mathbf{F}=m\mathbf{a}\]
在三維空間的等距變換下保持不變。以鏡面反射為例,$ \mathbf{F} $和$\mathbf{a}$分別出個負號
\[\mathbf{F}’=-\mathbf{F}\]
\[\mathbf{a}’=-\mathbf{a}\]
而$m$不變。變換後的量滿足
\[\mathbf{F}’=m\mathbf{a}’,\]
仍是牛二定律。這是物理定律的對稱性。

對稱性有連續和離散之分。連續對稱性是指對稱操作(對稱變換)可以(至少「局部地」,這涉及流形拓撲中的一些技術)由一族連續變化的實參數刻畫,而所有參數為零的時候變換回到恆同(不做操作)。

以二維旋轉為例,描述變換的連續參數就是轉動角度,轉 0 度當然就是不轉。旋轉、平移、縮放都是連續變換。空間反射則不是。

連續對稱性與守恆量

Noether 定理宣稱,連續變換一定對應守恆量,就是在系統演化過程中不變的量。

順便一提,這個對應在量子力學中比較簡單,就是李群和李代數的關系。經典力學中構造較繁瑣。這里不展開。

例如,非相對論力學(無論經典還是量子)中,時間平移對稱性對應能量守恆,空間平移對稱性對應動量守恆,空間旋轉對稱性對應角動量守恆。

離散對稱性

事情到這里還很美好(雖然答主大一剛開學聽力學課上講這個的時候非常驚異)。然而,離散對稱性才是個大麻煩。

麻煩首先出現在場論,或者粒子物理裡面。基本粒子(或者說場)有這么幾種離散對稱性:
空間反射P,即動量取負;
荷共軛C,即所有加性量子數,如電荷、同位旋第三分量、奇異數等等,取負;
時間反演T,即時間取負,同時(依Wigner的規定)波函數取共軛。

這三種變換對某些粒子是對稱變換,有相應的宇稱值(乘性量子數),但在粒子物理標准模型的弱相互作用中,它們都會發生破壞。以五十年代楊振寧、李政道提出理論,吳健雄、Goldhaber等課題組實驗證實的P破壞為例。鈷-60經弱相互作用的 \beta 衰變過程,自旋手性相反的兩堆鈷-60原子核,放出的電子束分布不滿足空間反射關系。

同樣是對稱性,自然為什麼對連續和離散對稱性的態度迥異(原諒這自然神論一般的話),現在還沒人能搞清楚。


張辰LMY:

最小阻力凸體的形狀不是徑向對稱的,見下圖文章。不過這也許是披著力學外衣的幾何問題。


Aorqu用戶:

很多人都說了微觀的, 量子的, 宇宙的, 我還是說兩個很日常的吧.

估計你也許有過這樣的經歷, 就是把一個繩子繞在一個柱子上, 或者在一個軸上繞線. 你會發現繞幾圈之後, 哪怕另一端的線頭不用怎麼用力, 線都不會隨著在軸上滑動. (想想小時候怎麼放風箏的)

還有在輪船上使用纜繩, 也是這樣繞圈來防止滑脫.

能固定住, 很顯然是因為摩擦力. 那我在纜繩的一端用多大的力才能讓纜繩和軸之間滑動呢? 多大力都沒用. 如果繞了30圈, 而且繩和軸都不會斷, 應該能在大風天拴住1000個航母…

原因就是, 纜繩和軸之間的最大靜摩擦力和圈數是指數關系的. 詳細推導過程我就不寫了, 參見Capstan equation


李淼:

你相信你手裡拿的杯子幾乎是真空構成的嗎?

要解釋這個問題,就要解釋「物質是穩定」的這個事實。你可能會說這不就是常識嗎,畢竟我們在生活中所見到的固體、液體、氣體都不會突然變大變小或者消失。但是你知道嗎?物質的穩定性是經典物理學無法解釋的,需要用量子力學來研究。

這就需要提到 5 個人和他們的成果,他們的研究順序也是量子力學發展的時間順序。

1. 盧瑟福:物體內部有很大的空隙

為了研究原子內部結構,盧瑟福設計了一個實驗,用一種叫 α 粒子的東西來往物體內部打。他發現 α 粒子很容易穿過物體,這說明物體內部大部分都是空的。但隨著實驗的進行,奇怪的事情發生了:有一次,α 粒子打進物體內部後,竟然從原路反彈回來!這說明什麼呢?說明在原子內部,一定存在著一種特別小、又特別堅硬的東西。就這樣,盧瑟福弄清楚了原子的結構:內部有一個特別小、帶正電,還特別堅硬的原子核,原子核外有一些質量更小、帶負電的電子。

那麼物體內部的空隙有多大?

現在的科學研究已經證明,原子的尺寸非常小,原則上是一個幾何點,只有 1 米的 100 億分之一,原子里的原子核尺度是十萬億分之一厘米到萬億分之一厘米,比起原子的大小,要小十萬倍。我們可以把原子核放大一千萬億倍,一千萬億倍是多大的數呢,一般只在天文學中會用到,所以人們才會把這類數字叫做天文數字。原子核放大一千萬億倍,原子核的直徑有 1 米。再把原子放大一千萬億倍,原子的大小就有 100 公里,大致相當於從北京到天津的距離。可以想像原子間的距離大到誇張。如此大的空隙為什麼我們感受不到呢?

2. 玻爾:氫原子模型

基於盧瑟福的實驗結果,玻爾提出了著名的氫原子模型。氫原子中心有一個原子核,原子核外還有一個電子。最關鍵的是,電子只能在一些特定的軌道上運動,不能在其他地方穩定存在。這就像學校運動會的 100 米賽跑,運動員只能在自己的跑道里完成比賽,而不能橫穿操場直接跑向終點。

知道了原子的運動規律,那麼原子間有沒有機會碰到一起呢,還是很難,畢竟距離太遠。所以玻爾的氫原子模型只是解決物質穩定性問題的第一步。

3. 海森堡:不確定性原理

海森堡說原子中的電子,其實並不在一個個獨立的軌道上運動,換句話說,電子的位置是不確定的,任何時刻都會同時出現在很多地方。只有當我們去看的時候,才能知道電子具體出現在哪裡;如果不去看,電子就會同時待在很多地方。聽起來很奇妙,對吧?這就是量子力學的神奇之處。

如果拋棄玻爾電子軌道,讓電子可以到處亂轉,並同時出現在很多地方,那原子結構就會變得穩定。海森堡的理論讓相距甚遠的原子可以撞到一起,但無法保證它們相撞後能互相彈開。所以,物質穩定性問題依然沒有得到解決。

4. 泡利:泡利不相容原理

泡利不相容原理很簡單,就是說在一個氫原子核周圍只能有一個電子,另外一個電子根本就進不去。想像一下,在一場舞會上,原子由一對對「舞伴」組成的,他們不喜歡其他的「舞伴」隨便靠近。正是由於這個原因,兩個原子勢必要保持一定的距離,而不會碰撞到一起。這就解釋了由一排排原子組成的物體為什麼不會突然縮小。

5. 戴森:物質不會塌陷與爆炸的原因

戴森用泡利不相容原理證明了原子核一定會與電子配成一對,形成原子,這也符合我們生活的經驗。還是那個舞會,一群男生和一群女生會自動結成一對對舞伴。每個女生都不希望別的女生來搶自己的男伴,男伴也不希望女伴被搶走,從而產生了一種向內的排斥力。這是物質不會突然塌陷的原因。與此同時,每對舞伴中的女生其實還想跟其他男生跳舞,男生也想跟別的女生跳舞,這又會產生一種向內的吸引力,就是所謂的化學鍵。這就是物質不會突然向外爆炸的原因。既不會塌陷,也不會爆炸,所以物質就能一直保持穩定了。

雖然物質的內部空隙很大,但由於量子力學,由於原子、電子的不確定性,由於物質的穩定性,我們不會感受到一隻杯子幾乎都是真空。

量子力學還有很多顛覆認知的知識,如果你想了解更多,歡迎來聽我的Aorqu私家課《淼懂物理學:理解世界的極簡指南》https://www.zhihu.com/remix/albums/1023197334380855296


Aorqu用戶物理化學專業,還需要學習一個:

溫度低的物體可能比溫度高的「燙」,並且可能會把熱量傳遞給溫度更「高」的物體。

舉個例子:同一個體系處於以下三個溫度: -273.149 ^{\circ}C-273.151^{\circ}C , 37^{\circ}C ,問在哪個溫度下這個體系最「燙」?

一點物理知識的人會說,這題沒法答,因為絕對零度是 -273.15^{\circ}C ,你搞出個 -273.151^{\circ}C 是個什麼鬼?

一定物理知識的人會說,你不要想搞個大新聞,負溫度 體系我是見得多了,實驗室的哪個激光器我沒拆過?我就明確地告訴你,-0.001K 最燙。

是的,物理學中的負溫度體系不是指的溫度低於0攝氏度或者0華氏度的體系,而是「溫度」「低」於 0K 的體系。當然,這時的溫度也不是用平衡態的「熱力學溫標」定義的,而是推廣到非平衡態系統用統計力學的辦法定義出來的,實際上是對布居數反轉的一種描述。簡單說來,所謂的布居數反轉就是在高能級的粒子數比低能級的粒子數多,而在正常的有限溫度範圍內永遠是處於低能級的粒子數目比高能級更多(假設所有能級所能容納的粒子的數目一樣多)。由此可見,對於包含同樣的能級和粒子以及粒子數目的體系來說,處於負溫度的體系的能量比處於正溫度的體系的能量更高。 拜激光筆流行所賜,這種「負溫度」體系在日常生活中也很容易遇到——雖然大部分人並不知道也並不在意這一點。


克克克克克總:

泊松亮斑哇
就是在光源前面放一個黑色盤子,在投影的地方,盤子黑影的中心會有一個亮斑……這么違反直覺的事情,你會相信嗎?
不光你不信,數學家也不信。
這個名字的由來也很鬼馬,當菲聶爾提出光的衍射的時候,有個叫泊松的數學家,用精密的數學計算得到了一個結果:在陰影的中心會出現一個亮斑,泊松用這個結果作為反例到處宣傳:哈哈!看,陰影的中心出現一個亮斑,多麼荒謬!
然後有人做了實驗,發現圓盤陰影的中央確實有亮斑……泊松用他的數學計算嚴格地論證了光的衍射理論是正確無疑的。
人們惡趣味地用泊松亮斑這個名字紀念這個烏龍事件,偉大的數學家泊松就這么永遠無法擺脫這個小「污點」了。


DONGNANXIBEI:

①所謂的「三原色」(此處指與光有關的紅、綠、藍)不是物理原因,而是生理原因。

首先,我們接觸到的一些有色光未必是單一頻率(或波長)的,有些有色光顏色看上去相同,實際上可能是不同的光譜,我們人眼無法區分它們而已。

對於人眼的視錐細胞而言,分別對黃綠色綠色藍紫色(564、534 和 420 納米)的光最敏感,如下圖:

那麼問題來了,為什麼顯示屏用的是紅、綠、藍這三原色呢?我們要做的,不是選擇刺激最強的三種頻率(或波長)所對應的顏色,而是要盡可能不影響其他的視錐細胞(換句話說即相互獨立)。

我們利用紅、綠、藍不同比率的混合,便可以幾乎表示出人眼所有能辨別的顏色:


②現在你有長寬高材質密度等要素完全相同的無數個長方體木塊,從最高層開始,按同一朝向疊放,依次在下方露出上一塊的二分之一、三分之一、四分之一……的長度,如下圖所示(圖中為有限個):

如果在理想狀況下讓你疊無窮個,這個模型能否保持平衡?答案是肯定的,而且可以疊到無窮遠(這個則與數學有關,即調和級數)。

以下摘自維基百科:


SSSS:

大部分的「薛定諤的…」都是錯誤使用


def think:

真的不是因為這個粒子有什麼宗教上的意義。。。

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