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有哪些看起来像是物理界缺陷的现象?

2020-06-27科学

bug是IT专业术语,本意是「臭虫」,现在用来指代计算机系统、游戏中的安全缺陷。有一种很有意思的平行宇宙理论,认为我们的宇宙就是一个计算机系统,那么这个系统有没有bug呢?我们有没有可能利用它们呢?我们来看看物理学的发现。

一、牛顿环

我们先从神秘的光说起,话说牛顿不仅用三棱镜分解了日光,还在自己的著作中留下了一个「牛顿环」的现象。将一块微凸的透镜放在平坦表面的顶部,两者仅在中心接触。如果从顶部照射单色光,平坦表面上就会出现一系列同心、交替的明暗环;如果照射的是白光,那将会看到美丽的彩虹圆环。

如此简单的装置就可以看到这样的异象,难道我们每天都很熟悉的光线里也有bug吗?牛顿是如何看待这个问题的呢?

有趣的是,最早记录牛顿环现象的并不是牛顿,而是和他争夺万有引力发现权的仇敌胡克。针对光的本质这一问题,胡克也和牛顿站在了对立面上,胡克和惠更斯一起提出了波动说,而牛顿一直是微粒说的主力战将,坚决抵制波动说。即使遇到牛顿环这种用波动说更容易解释的现象,他仍然努力在原有体系内修正他的理论,当然最后留给他的只有失败。

现在我们身边也能发现这种牛顿环现象,比如我们在办公室里用扫描仪扫描照片,如果没有压紧,就容易在电子照片上找到这样的牛顿环,所以扫描仪都会使用防牛顿环纹玻璃。

二、泊松亮斑

牛顿之后一百多年,波粒大战烽烟再起,托马斯杨于1807年发表了他著名的双缝干涉实验。1818年,法国科学院发起了一次擂台赛,鼓励众位科学家前来参战,讨论光的本性。菲涅尔参与了这次比赛,他提交了他的改进版波动说理论。

当时,法国科学家泊松是评审委员会的成员之一,他是微粒说的拥趸,也是一个非常较真的人。他仔细的研究了菲涅耳的理论,试图证明波动说是错的。身为数学家的泊松一番计算,敏锐的发现,根据菲涅尔的理论,如果用一块圆板阻挡来自点光源的光线,圆板身后阴影的正中心应该会出现一个亮点。他认为这显然是荒谬的,大喜过望的他正准备进行最终宣判。另三位评委却给出了让他大跌眼镜的实验报告,用一个点光源照射一个2毫米厚的圆盘,圆盘的阴影正中果真出现了泊松「预言」的亮点,我们的宇宙真的有bug!

这时候,大家一致「恭维」泊松:「哎呀,你太厉害了,竟然预言了如此不可思议的现象,这个现象就用你的名字来命名吧,叫做泊松亮斑吧。」求解泊松大师此时心里的阴影面积。

为什么之前那么多年,都没有人注意到这个亮点呢?原因也很简单,在这之前很难制造出很好的点光源。技术和理论的发展,就是这样相辅相成的。

三、毛细现象

说完了光,我们再来说水。

这个现象我们都很熟悉,将一根细管插入水里,管里的水面竟然会自动上升。

能量守恒在哪里?

难道,毛细现象是上帝的施舍?或者是宇宙系统的bug吗?

你还别说,还真有人试图利用毛细现象,制造出传说中的永动机。1827年,英国发明家康格里夫爵士设计出一套装置,用滑轮带动一个斜面,从顶部到底部,贴附了一整圈的海绵,康格里夫相信,由于海绵的毛细作用,他的装置会持续运作。

靠一块海绵就可以产生无尽的动力,这种设计当然是异想天开了,康格里夫爵士的错误在哪里呢?毛细现象究竟是什么原理呢?

原来,水进入毛细管中,水和玻璃的界面增加,玻璃和空气界面减小,前后的表面张力不同,释放了一部分表面能,转化成管中水的势能。所以,水在毛细管中的上升,提升的势能实际上来自表面能的变化。

总之啊,想通过一根吸管找出宇宙bug,我们的心还是大了一点。

四、水被带电物体偏转

其实,关于水,还有很多我们意想不到的类似bug的现象。

最简单的一个,我们在家里就可以做这样的实验,用个气球或者橡胶棒在头发上摩擦一下,让它们带电。然后把你家的水龙头调成涓涓细流,一定要细哦。

用带电的气球或者胶棒靠近这涓涓细流,就会发现水流竟然会被带电物体吸引。

如果你之前没见过这种现象,会不会被惊呆?

什么情况?

我们喝的水竟然是带电的?

水这种稀松平常的东西也存在bug?

之前对这个现象的传统解释是,水分子存在极性。但2000年,哈佛大学教授发表论文,表示带电物体的静电最多只能让极性水分子定向排列,非极性分子组成的物质也可能会被带电物体偏转,其实引起水流偏转的是水中的杂质离子。

看来,我们习以为常的现象里还有很多东西值得深挖。

五、瑞利-贝纳德对流

水里的bug还有很多,这个实验看上去也很简单,在两个平行板之间放置水,水层的宽度要远大于其厚度,先将底板和顶板的温度设置为一样,这层水就很快达到热平衡。但这时给底板升温,水就开始产生纵向的对流,这时候,我们竟然惊讶的发现,水中自动出现许多六角形的小格子。

这是怎么回事?我们可什么都没干啊?全自动啊!

这种现象被称为「瑞利-贝纳德对流」,它是对耗散结构理论最有力的证明。

热力学第二定律告诉我们,一个体系总是变得更加混乱无序。但耗散结构理论指出,热力学并非简单粗暴的禁止有序结构的自发产生,在系统和外界有物质和能量交换的情况下,同时伴有系统的熵产生(耗散),可以产生更有序的结构,这种有序结构就是「自组织」。

比如我们吃下有序的食物,排出无序的便便。

六、B-Z反应

化学里还有这种奇妙的反应——贝洛索夫-扎鲍廷斯基反应,也叫B-Z反应

这一现象的发现归功于贝洛索夫。1951年,他指出,将溴酸钾、硫酸铈,丙二酸混合在一起的时候,铈元素将在四价和三价离子之间振荡,导致溶液的颜色在黄色和无色溶液之间摆动。这是由于四价铈离子被丙二酸还原为三价铈离子,然后被溴酸盐氧化还原为四价铈离子。

在这之前,也有人发现过类似的振荡反应,但都因为违反热力学第二定律而被认为是假的,或者是弄错了。贝洛索夫本人当时也无法解释这一现象。

后来,扎鲍廷斯基对这一现象进行了详细的研究,一直到了1969年,B-Z反应终于为人所知。

现在,科学家们又加入了铁蛋白作为指示剂,如果在有盖培养皿中进行这些反应,就会首先形成彩色斑点,而后成长为一系列膨胀的同心圆环。你看到了什么?是不是不断有生命在涌现?

你要问这个神奇的反应除了炫酷还有什么用?那你就看看这个,比如用它来做包装纸……

七、姆彭巴效应

关于水,我们已经用了重力、电、加热、化学反应去发现了各种bug,谁能想到,将水冷冻也会有bug呢?

这个bug还是由一个13岁的坦桑尼亚小孩发现的。

1963年,年仅十三岁的坦桑尼亚小学生姆彭巴在手工课上做冰激凌,他发现自己的动作慢了,于是将还未冷下来的热牛奶放入了冰箱,最终竟然发现他的热牛奶竟然更快结冰了。

当姆彭巴在一次物理讲座上提出这个问题时,老师和同学都笑话他,认为这是无稽之谈。但演讲的奥斯本教授并没有无视姆彭巴小朋友可笑的问题,回去重新做了实验,确认了姆彭巴的发现。

在这之后,无数科学家试图从蒸发、对流、霜冻、导热、氢键、结晶甚至密度泛函理论等角度去研究这个问题。2012年,英国皇家化学学会还举行了一场竞赛,征集论文,对姆彭巴效应进行解释,竟然有超过22000人报名参加。

然而,到目前为止,还没有一个被科学界普遍接受的理论能够解释这一现象。

你看,发现宇宙bug,小朋友也是可以的。

八、鲁珀特之泪

水还能帮助制造出貌似有bug的制品。

将熔融的玻璃液滴滴入冷水中,水从外部向内迅速冷却并固化玻璃,得到一颗貌似泪珠的制品。根据记录,这个现象最早出现于17世纪的德国和荷兰,就用莱茵河的鲁珀特亲王的名字命名,被称为「鲁珀特之泪」。

鲁珀特之泪有着奇妙的物理特性:泪珠的头部可以承受一吨多的压力,而尾部则十分脆弱,只要稍微施加一些压力,整颗泪珠就会在瞬间爆裂四溅、彻底粉碎。据高速摄影技术观测,其裂纹的传递速度竟然高达1450米-1900米/秒。

九、超流体

1938年,苏联科学家卡皮查发现氦接近绝对零度的时候,粘度似乎消失了,科学家们把这种现象叫做「超流体」,这种无粘度的氦被叫做氦II。当继续深入研究以后,发现这种「超流体」太神奇了!

比如,只要有一滴处于超流体状态的液氦位于杯底,杯内的液氦就好像知道外面有它的同伴是的,会攀越过杯口,然后在杯身外面向下缓慢滑落,最后完全滴落在下面的液氦里,直到杯子完全流空为止。

还有更神奇的氦刀喷泉,在液氦II中插入一根毛细管,用光照射液氦,会有如喷泉状喷出。光越强喷得越高,可以高达数厘米。光能直接转化成机械能。

这些现象简直颠覆人类的常识,当科学家开展研究以后,发现这就是十几年前提出的玻色爱因斯坦凝聚态,气态、液态、固态、等离子态之外的第五种形态,所有的原子将表现的和一个原子的性质一样,宏观的物质将表现出量子效应。

然而很可惜,超流体并不能成为传说中的永动机,它自动爬升容器壁,不过是通过普通的毛细作用来实现的。当系统达到平衡状态时(所有的液氦都达到同一水平),运动就停止了。更何况,制造超低温的超流体,能耗就不在少数,目前暂时还看不到大规模利用超流体的可能性。

十、高温超导

超低温世界的神奇还不仅于此,很多物质都会出现零电阻现象,这就是超导现象。这可是真正的让电流无 「摩擦」的畅快通行了,随着高温超导现象的发现,超导体的临界温度不断提升。去年,一种叫做氢化镧的材料在超高压下创造了高温超导的世界纪录,临界温度达到了250K,也就是零下23度左右。看起来,高温超导的临界温度很快就将突破冰点,无损耗电力传输似乎就快梦想成真,这对人类文明的真是具有革命性的意义。

超导的应用远远不止于输电,我们知道,磁场一般由电磁铁提供,电流越大,由于电阻的在,电流热效应带来的发热量也更大,电阻成为建造更强磁场的瓶颈。而超导材料几乎不存在发热的问题,比如在核聚变神器托卡马克用的磁约束材料、线性加速器LHC里的加速磁场,都能见到它们的身影。如果高温超导真的实现,可控核聚变的难度也将降低一个等级!

十一、 卡西米尔效应

许多物理学家认为:「真空是全面理解自然的关键!」越来越多的证据表明,我们所谓的「真空」其实并不空,也存在一定的能量,即使在没有物质的空间也依然存在,因此这种能量被称为「真空能」。可以用量子力学里「基态」的概念来解释,我们的空间存在各种各样的场,当这些场处于「基态」时,这就是真空。显然,真空也有「基态」的能量,因此「真空能」也被称为「零点能」。

最早,这种「零点能」只出现于理论,直到1948年,卡西米尔认为,如果「零点能」存在,将两块不带电的金属板靠到足够近,两块板会产生吸引力。后来果然被实验证实,1997年,科学家还仔细测定了卡西米尔力有多大,发现仅有理论值的5%。看来,「零点能」还有很多奥秘等待着我们。

正因为空间无处不在,在理论物理的最前沿,如超流体、超导、暗能量、宇宙暴胀等理论,都能找到「零点能」的影子。但科学家们更希望它能为我们所用,据称,美国、中国、俄罗斯、德国和巴西的军方都对其进行了研究。

也有很多物理学家希望卡西米尔效应可以给我们带来取之不尽用之不竭的能源。

然而美国科罗拉多大学的加内特*莫德尔教授指出:这类设备取决于假设卡西米尔力是一种非保守力,然而有足够的证据表明卡西米尔效应是一个保守力。

什么叫「保守力」呢?这就是说,「零点能」确实存在,但卡西米尔效应是「借」来的,用完还是要还给上帝的。就好比我们从楼梯上跳下来,确实可以给地板一个力,但如果想持续做功,就得重新爬上去。所以,在科学界,有关于利用「零点能」的想法都已经被归为伪科学,「卡西米尔发动机」沦为了新时代的永动机。

十二、 时间晶体

2012年,诺奖获得者威尔切克提出了一种时间晶体。我们熟知三维晶体在空间上有重复结构,但随着时间的推移保持不变。而时间晶体相反,它在时间中重复自己,让晶体从一个时刻到另一个时刻发生反复变化。

在一段时间里,主流科学界认为时间晶体不可能存在,但科学家还真的把它搞出来了。2016年10月,马里兰大学的克里斯托弗*门罗声称自己创造了世界上第一个时间晶体。他们首先用电磁场制造出一个离子阱,用脉冲激光轰击镱离子链,最终他们发现这个离子阱捕获了10个镱离子,它们进入一种稳定且重复的自旋翻转模式。

2016年晚些时候,哈佛大学的米哈伊尔*卢金也号称自己发明了时间晶体,他的团队使用了通过的是向钻石中密集充入氮气的方式。

时间晶体概念刚刚提出的时候,就有人设想这是新一代「永动机」。但其实,时间晶体无法被分离出来,它是一个非平衡态的开放体系。因此它并不违反热力学定律,整个系统的能量是守恒的。时间晶体不会自发地把热能转化为机械功,也无法作为能量的存储方式。

十三、球形闪电

这是在科学和科幻之间游走的东西。

有太多的观测到球形闪电的记录,也有不同的理论试图去揭秘它的本质,比如等离子体、纳米电池、里德堡物质、气化硅等等……甚至刘慈欣还写了一部神级科幻【球形闪电】,假设它是高一级宇宙的「宏电子」。

2012年,西北师范大学的研究人员在兰州观测到了球形闪电的光谱,显示其中的主要元素组成是:硅,铁和钙,和土壤的化学成分类似。这是人类首次分析球闪的化学成分,也许在不久的将来,我们就将破解球闪的奥秘。

当然,科幻迷们可以继续幻想,会不会有几种不同机理的球形闪电?

总之,到目前为止,人类还没有发现宇宙中有非常明显的bug。当然,人类一直是梦想着能找到宇宙的bug,以期为我所用。

在这个过程中,人类对宇宙的认知又前进了一大步。想想吧,在古人面前,我们现代人随便拿出一个东西不就是开挂吗?

我们相信,在宇宙这场游戏里,人类*丝程序员一定能把找「bug」游戏玩的更转!