物理中有哪些不可思議(違背直覺)的事實?

問題描述:請各位答主注意:此問題與
, , , ,
Lance-W:

嗯,印象深刻的是《你一生的故事》中提到的費爾馬最少時間率(費馬原理)
先上一張百度詞條
概念可能有點不好理解,上幾張小說片段




Takaki:

黑洞並不是黑色的。

首先關於黑洞的一般概念是,如果將大量物質集中於空間一點,其周圍會產生奇異的現象,即在質點周圍存在一個界面「視界」,一旦進入這個界面,即使光也無法逃脫,則這個質點就被稱為黑洞。
——「黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體」。

一般黑洞給我們的印象就是一個純黑色的洞,實際上,黑洞並不是一個洞、其次它也不是黑色的,吸到黑洞里的物質並不是絕對不能返回到外界。現在可以用廣義相對論閔可夫司基的絕對時空概念來解釋黑洞為什麼不是黑色的。

追溯到黑洞理論的最原始歷史,是始於 18 世紀一個叫 John Michell 的牧師,他把光速和牛頓逃逸速度的理論結合起來,計算出一個很有意思的天體模型。

如果我們在地球上向上拋一個石頭,那麼無論多大氣力,它都將落回到地球上。但如果我們用一個足夠快的速度再把它拋上去,若能擺脫地球引力的束縛,這個速度我們稱為逃逸速度,對地球而言,如果不計空氣阻力,逃逸速度是 11.2 km /s,即第二宇宙速度。逃逸速度是和引力有關的,而引力是跟質量有關的。所以,若天體的質量越大,則相對應所需要的逃逸速度也越高。

後面就有了這樣一個假設,如果有一個天體質量非常巨大,大到需要比光更快的逃逸速度。這時候我們就算在它上面,把一個石頭以光速向外拋去,石頭的速度仍然達不到逃出天體的逃逸速度。於是,就有了黑洞最原始的概念——連光都無法逃出來的天體

但這個概念太恐怖了,被當時的教會和天文學會所抵制,以至於人們就沒有再研究下去了。

不過,一切在愛因斯坦那個偉大的相對論面前又重新改變了。1905 年應該是愛因斯坦開始輝煌的一年,他在獨自研究中拋棄了自牛頓以來一直建立的絕對空間和絕對時間觀念,重新樹立起了一套新的相對觀念。在愛因斯坦面前,有四個概念,空間、質量、時間、光速。牛頓的經典物理學認為,空間、質量、時間是絕對的,光速則是相對的。不過愛因斯坦卻不這么認為,他反其道而行之,覺得只有光速才是絕對的,空間、質量、時間都是相對的。於是,愛因斯坦創造了物理歷史上最偉大的理論之一,狹義相對論。

狹義相對論由兩個基本原理構成:
第一,光速絕對性原理。無論在任何方向和空間上,光速絕對不變的前提。
第二,相對性原理。物理學里的一切運動,都必須在同等的視點上處理所有的運動狀態。

在以上前提條件下,關於時間和空間,我們從狹義相對論里得出了更驚人的結論。運動的物體,相對速度越快,則長度越短、時間越慢、質量越大,即尺縮和鍾慢效應。

但這還不足以解決更深層的問題,時空的本質和引力。因為引力才是一切定律的關鍵。1908 年,閔可夫司基發現了一個重要的理論,四維時空的絕對性理論。這是用一種數學的語言描述狹義相對論,但當時愛因斯坦並沒有對用數學論證的方法很在意,甚至還嘲笑這個復雜的數學描述。

但接下來就是引出愛因斯坦第二次走向輝煌的問題,一個關於水星的近日點問題。按照開普勒描述的橢圓軌道,水星應該順著橢圓型的軌道圍繞太陽運轉。但幾百年來的觀測證明,水星每沿軌道環繞一圈後,都不能回到原來的位置上,而是有一點點很小的偏離。這就是水星在近日點上的移動。

這個移動有1.38弧秒,經典牛頓的引力定律可以解釋這 1.38 弧秒中的 1.28 弧秒,那是木星和其他行星對水星產生引力作用的結果,但剩下的 0.1 弧秒沒任何辦法得到解釋。

為了使問題得到解決,首先,愛因斯坦建立了一個「等效原理」,關於這個等效原理,可以做一個簡單的假設,假設你在一個懸崖邊上,遠處一個小球在被拋到空中的一剎那,你跳下懸崖。這時候,在地面上相對靜止的人,看到小球的運動是一個拋物線運動。而正在掉下懸崖的你,看到小球則是一個向上的勻速運動。因為在引力的作用下,你和小球都處於同一個參考系裡,則小球受重力的作用和你受重力的作用互相抵消,在這個參考系裡,你的運動和小球的運動是不受重力影響的了,就是所謂的失重狀態。

然後,愛因斯坦又提出了一個更驚人的理論,就是引力引發時間膨脹。在1912 年,愛因斯坦在閔可夫司基的絕對時空理論的前提下,即在我們的宇宙中,只有一個唯一的絕對的四維時空。這樣,他能解釋得了新理論里的時空彎曲。也就是,離地球近的時空,彎曲曲率比較大,而離地球遠的高空上的時空,彎曲曲率比較小。

在此後的三年裡,愛因斯坦終於意識到數學方法的重要性,他用數學的方法特別是黎曼幾何,來解釋了他的新理論,經過計算,在1915年11月25日,廣義相對論誕生。

現在,我們就用廣義相對論的原理來解釋一開始提出來的黑洞理論。引力並不是一種力,它和我們在平時所接觸的力有很大的不同。引力的本質,是時空彎曲。也就是,地球並沒有拉著或者吸引著我們,而是我們的時空被地球的引力所捲曲、扭轉。所以我們需要一種新的幾何去計算空間扭曲的狀況,從而知道怎麼樣的扭曲會讓光跑不出來。

1916年1月13日,德國天文學家卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)歷史性地計算出第一個愛因斯坦方程的解,並建立了史瓦西幾何。史瓦西分析了完全沒有旋轉的星,並得到了任意無旋轉球狀星體以外的時空曲率。他預言,每個星體都存在一個依賴於星體質量的臨界周長,如果減少到這個臨界周長,星體就能形成黑洞。

用公式表達即: Rs=\frac{2GM}{c^{2}}

其中,Rs為天體的史瓦西半徑,c為光速,G為萬有引力常數,M為天體的質量。

可以有三個更基本的公式推出:

  • 萬有引力公式: F=G\frac{Mm}{R^{2}}
  • 牛頓第二定律: F=ma
  • 重力勢能的表達式: E_{g}=mgh
  • 在天體的表面,h=R,可以整理出: E_{g}=\frac{GMm}{R}

    而在星體上物體的動能可以表示為: E_{k}=\frac{1}{2}mv^{2} ,如果要使得物體逃逸天體的引力而飛向宇宙空間,需要: E_{k}>E_{g} ,對應的臨界值是 E_{k}=E_{g} ,就是物體恰好不能逃逸天體的臨界值。

    即,

    \frac{1}{2}mv^{2}=\frac{GMm}{R} ,也就是 R=\frac{GMm}{\frac{1}{2}mv^{2}}

    將v代換為光速c即可得到。

    —————————————————————————————————————

    有評論說我列舉的推導方式是不嚴謹的(在此附上維基百科的推導,請大家自行參考)

    Derivation:
    Main article: Deriving the Schwarzschild solution
    Historically, Schwarzschild radius was the radius of the spherical event horizon of a Schwarzschild (uncharged and non-rotating) black hole.
    Schwarzschild radius ( r_{s} ) can be defined for any mass M as follows. If any uncharged and non-rotating mass M when confined to a small spherical volume of radius r_{s} results in maximum escape velocity of c, the speed of light, then r_{s} is defined as the Schwarzschild radius of the mass M. It can be derived by calculating the escape velocity (kinetic energy = potential energy) and equating it to the maximum speed limit (c, the speed of light) as follows
    \frac{1}{2}mv^{2}=Kinetic Energy=Potential Energy =\frac{GMm}{R}
    At escape velocity v = c, R = Schwarzschild radius = r_{s}
    r_{s}=\frac{2GM}{c^{2}}

    歷史上,Schwarzschild半徑是Schwarzschild研究黑洞等天體(不帶電和非旋轉)的視界半徑。
    我們可以為任何質量的M定義Schwarzschild半徑( r_{s} )。如果任何不帶電和非旋轉的質量M被限制在一個小的球形內,當此小球的半徑為 r_{s} 時,縱使以光速c也無法逃逸出來,則 r_{s} 就被定義為物質M的Schwarzschild半徑。它可以通過計算逃逸速度(動能=勢能)在等於最大限制速度(c,光速)時得出,如下所示:
    \frac{1}{2}mv^{2}=动能=势能=\frac{GMm}{R}
    在逃逸速度v = c時,R = Schwarzschild radius = r_{s}
    r_{s}=\frac{2GM}{c^{2}}

    reference:

    Schwarzschild radius​en.wikipedia.org图标


    但這里所說的黑洞,並不是光不能逃逸出來,而是引力之大,可以讓星體的表面的時空發生強烈的扭曲,以至於時間在那裡停止了流動,就好像被凍結了一樣。

    所以,時空彎曲才是黑洞形成的成因,而時空彎曲也是引力的本質。用時空彎曲的概念去描述黑洞,才比較準確,而不是單純的引力描述。

    所以黑洞並不「黑」,它也不是絕對不能被外界所觀測到的,相反,黑洞非常非常地漂亮!特別是吸積盤和噴射流黑洞,都非常壯觀。黑洞會向外輻射。有的黑洞因為旋轉非常快,周圍的氣體被快速地吸入到視界以內,則會產生巨大的渦流,有的黑洞是雙星系,其中一般主星是黑洞,而伴星的熾熱氣體會被吸入主星內,這樣會形成一種非常壯觀的吸積盤。同時黑洞附近的時空扭曲非常巨大,使光線產生強烈偏折,形成前所未見的「光盤」景象。

    周圍的「吸積盤」
    《星際穿越》中的黑洞Gargantua

    (註:4月29日修改,用公式編輯史瓦西半徑,以及推導過程)

    (8月2日修改,導入了一個黑洞模型視訊)

    (原創回答,請勿轉載)


    參孫:

    既然是違背常識就不得不提Extraordinary Transmission,名字都叫不尋常的透射。

    具體就是有個薄金屬片,上面有些洞,由於洞所佔面積很小,所以整個金屬片是不透光的。

    把洞不斷縮小,但是洞變多變密,保持洞所佔面積不變。透射率不變,金屬片依然是不透光的。

    但是,但是隨著洞越來越小,到幾百nm尺度的時候,金屬片突然變透明了。不僅透明了,透過的光也不是光源的顏色了。投過金屬片的顏色隨著洞的尺寸不斷變化。

    之前回答有個地方寫錯,已修改


    公紫小桓:

    水!
    水!
    水!

    「水利萬物而不爭」,自然界再也找不到比水更魔性的分子了。一直覺得水很簡單,直到高二才發現自己拿衣服,現在看到水簡直覺得自己是白痴。

    我現在才知道為什麼找外星人一定要先找水了。。。真的太有必要了。

    極弱電離,介於導電和不導電之間。

    凝固後密度變小。

    存在很強的極性,但熔點卻很高。

    空氣中混有少量的水分子,空氣動力學性質就會大大改變。(這一點我還在求索原因,如果有朋友知道,請一定賜教!)
    求知的眼神。


    清簫沁峰:

    隧穿效應(Tunneling Effect)
    比如一個電子,面對一個勢壘,通常我們認為它在達到勢壘時總能量若低於勢壘肯定不會穿過去,但是根據薛定諤模型,電子是一段波函數,所以它通過勢壘的行為實際是一段概率分布。電子是否能通過勢壘只與勢壘能量,電子質量和勢壘寬度有關,關係為

    直觀來說如圖所示(老師給的直接拿了,請忽略中英混雜的表述_(:з」∠)_)


    戲子無情:

    我一個物理不及格的人是課代表


    Laze SUN:

    點光源經過凸透鏡時,即使是理想情況下,照樣不可能匯聚到一點,而是會形成一個亮斑。


    DEAA:

    原來一直思考為什麼單車騎起來不容易倒,靜止的時候卻很容易倒。

    看到大家對這個問題很好奇,我自己也仔細思考了一下。可能是因為車輪轉起來之後角動量變大,如果要改變角動量的話需要給車輪足夠大的力矩。所以說騎的越快,角動量越大,需要的力矩也越大,就更不容易倒了。

    在網上找了個視訊

    小透明,求個贊


    雲祁連:

    更新:

    這個回答已經寫了半個多月了,不知道為什麼評論突然熱烈。針對評論區兩點問題說幾句:

    1.時間(風、空氣…)我也看不到啊?

    首先時間不是物質,所以本來就不是在可觀測範圍中。你可以認為時間是一種維度,也可以認為是一種物質變化的描述,無論如何,它本來就是不能被直接觀察到的。同理,風也不是一種物質,而是空氣流動的現象。

    至於空氣(氣體)——沒人告訴過你低溫空氣是有顏色的么?

    2.中學時候物理老師說場是一種物質,驚訝到我了。

    沒錯,「場」這個概念的確非常挑戰神經,堪稱「違背常識」的經典例子。既然觀測到了它,那麼它肯定存在,但一種虛無縹緲的東西何以是一種「物質」,的確很難理解。

    我們在這里可以稍微拓展一下「看到」的範圍,把它從可見光波段觀測拓展到所有的直接探測手段。比方說電場磁場,你可以通過小磁針或者電火花直接看到它的效應。但有些東西是沒辦法這樣觀測的。

    ————————下為原回答————————

    最違背常識的一點在於,一般人覺得是常識的東西,其實人類連「看」都沒看過。比如質子、中子、誇克、黑洞。

    如果我們相信眼不見為實,那麼它們的存在都是可質疑的,這也是很多民科攻擊官科的思路。

    「看到」指成像或可見光波段的觀測。在微觀粒子尺度,我們最小隻能看到原子。質子和中子最初都是根據電性、質量假設出來的,只不過在實踐中一直好用,因此傳承下來。誇克的存在也是如此,由於誇克禁閉,我們至今也無法觀測到獨立的誇克。

    電子實際上也沒有被實際觀測到過,但是我們可以看到它打在熒光屏上的亮點,或者在雲室中運行造成的水珠痕跡。這都是間接手段。

    雲室里水蒸氣凝結產生的軌跡

    在大尺度上,「沒看到」的東西更多。例如黑洞,就從來沒有被在光學波段直接觀察到。現有的幾個黑洞候選體,都是根據它周邊的天體運動確定它的大小和質量,以及通過引力波或發射X射線等的劇烈情況推測的,因此我們只敢說「非常有可能」是黑洞。

    脈沖雙星、系外行星、中子星都是如此,我們從未「看到」它們,只是從它們放射出的射線、吸積作用、造成的空間擾動,乃至遮擋光源的情況間接判斷它們的存在。

    那些被畫的栩栩如生的粒子和天體竟然從未被看到過,夠不夠違背常識?

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    更硬的科普,盡在本人公眾號:潮海齋隨記。


    溟涬:

    微觀世界裡大多都是違反常理的存在

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