问题

有哪些像伽利略铁球下落实验一样直觉与事实相违背的事?

回答
伽利略的斜面实验,虽然最终证明了物体的下落速度与质量无关,但在此之前,人们的直觉却是截然相反的。在很长一段时间里,人们都坚信,越重的物体下落得越快。这种直觉,在生活经验中似乎也说得通:一块石头砸下来,肯定比一片羽毛落下来更快。甚至亚里士多德这位伟大的哲学家,也曾这样认为。

然而,自然界中还有一些现象,它们同样挑战着我们根深蒂固的直觉,甚至让人觉得匪夷所思。它们就像一记记哲学上的耳光,提醒我们,眼睛看到的、脑袋里想的,不一定就是真相。

漂浮在空中的“不存在”之物:负压强

想象一下,你拿一个吸管,插进一杯水里,然后用力吸。水会顺着吸管被你吸上来。这似乎很好理解:你创造了一个低压区,周围的水受到大气压的“推挤”,就涌了上来。

但如果我们把这个场景稍微改变一下呢?想象一个完全密封的容器,里面是真空,只有一根吸管伸进去。如果你从外面连接一个抽气泵,把容器里的空气抽走,直到它接近真空。这时候,如果吸管的另一端还在容器外面,并且另一端是敞开的,那么会发生什么?

按照我们对“压强”的直觉理解,外面有大气压,里面没有(或者压强很低),所以空气应该会从外面涌进来,进入容器。但是,如果吸管的另一端是完全封闭的,例如你用手指堵住吸管的出口,然后从外面抽气,会发生什么?

令人困惑的是,真空中的吸管,如果里面充满了液体,那么液体会因为负压强而“被吸上来”,填满吸管。这里的“负压强”有点反直觉:通常我们说压强是“推”的力量,而负压强似乎是“拉”的力量。更进一步想,我们说负压强,是不是就意味着某种“拉扯”的力量从真空那边伸出来,把液体拉过去了?

但事实是,所谓的“负压强”并非真的存在一种“拉力”从真空区域伸出来。当容器内的空气被抽出,形成接近真空的状态时,容器内的压强几乎为零。如果吸管内部原本是满的,那么在吸管的顶端,液体受到来自下方液体柱本身的重力向下拉。而在这液体柱的上方(吸管内部顶端),由于外部是低压,内部也因为密封而没有空气进入,所以并没有明显的向下的压强来支撑这根液体柱。

反而是容器外部存在着大气压,这股大气压作用在吸管底部暴露的液体表面上。这股大气压,就像一个巨大的无形的手掌,托举着吸管里的液体,对抗着液体本身的重力。所以,液体之所以能够停留在吸管里,并且似乎“被吸上来”填满吸管,并不是有什么东西在“拉”它,而是外部的大气压在“推”它。

当你从外部抽气,降低容器内的气压时,你实际上是减少了吸管顶端液体上方可能存在的任何微小压强。而如果你把吸管的两端都密封好,中间不让空气进入,那么一旦液体填满吸管,并且低于某个高度(这个高度取决于大气压的大小,也就是所谓的“托里拆利真空管”的原理),这液体柱本身产生的向下的压强就不足以克服外界大气压的支撑作用。

所以,我们看到的现象是,液体填满了吸管,仿佛被某种看不见的力量从真空区域“拉”了上来。这种“拉”的感觉,源于我们习惯于理解推力,而“负压强”这个概念,以及液体在低压环境下的一种“填充”行为,让人产生了一种相反的直觉:以为真空会“吸”东西,而不是大气压在“推”东西。

量子纠缠:爱因斯坦也无法直视的“幽灵”

这是物理学中最令人费解的现象之一,也是与我们日常直觉最格格不入的。想象一下,你有两枚硬币,但这两枚硬币不是普通的硬币。它们经过一种特殊的“纠缠”处理,然后被分开放到两个相距非常遥远的地方,比如一个在地球,一个在月球。

现在,你来观察地球上的这枚硬币。在你看它之前,它处于一种叠加态,既不是正面也不是反面,而是两种可能性的混合。当你去看它,比如说你发现它是“正面”的时候,你立刻就知道,在月球上的那枚硬币,无论它是否被观察过,都瞬间变成了“反面”。反之亦然。

这种“瞬间”的关联,不管这两个粒子(这里用硬币比喻)之间相距多远,哪怕是宇宙的两端,都会发生。这就像是你有一个遥控器,按下按钮,地球上的硬币变成了正面,月球上的硬币立刻就变成了反面,而且这个过程没有时间延迟。

这完全违背了我们对因果关系和信息传播速度的理解。我们认为,信息传递需要时间,而且不可能超过光速。然而,量子纠缠似乎绕过了这个限制,在两个粒子之间建立了一种超距的、瞬间的联系。爱因斯坦曾经称之为“幽灵般的超距作用”(spooky action at a distance),因为他认为这种现象意味着信息可以以无限快的速度传递,从而破坏了狭义相对论的基础。

然而,大量的实验已经反复证实了量子纠缠的真实存在。我们无法利用它来发送超光速的信息,因为你无法控制你观察到的结果是正面还是反面。你只能在事后,通过常规的通信方式(比如打电话告诉月球上的人你看到了什么),才能核对这种关联性。但是,这种“随机的关联”本身,就是对我们直觉的巨大挑战。

我们直觉上认为,两个独立的物体,无论它们曾经有过怎样的联系,一旦分开,就不应该再有任何即时的、不受距离影响的关联。然而,量子纠缠却告诉我们,在微观世界的底层,这种“非局域性”的联系是真实存在的。

量子隧穿效应:隔山打牛的可能

再来一个更“科幻”的例子:量子隧穿效应。想象你面前有一堵非常厚的墙,墙的另一边有一个球。根据我们宏观世界的经验,如果你不把球扔过墙,或者挖个洞,球就永远不可能出现在墙的另一边。

但在量子世界里,粒子,比如电子,却可以“穿过”障碍物。即使它的能量不足以翻越那个“能量墙”,理论上它也有一小概率能够“隧道般”地穿过它,出现在障碍物的另一边。

这就像你用手去推一堵砖墙,你再怎么用力,砖墙也不会因为你的“能量不足”而让你“穿过去”。你的手会感受到墙壁的阻力,然后停下来。但是,一个电子,即使它的动能小于它需要克服的势垒的高度,它依然有微小的概率能够“隧穿”过去。

这种现象就像是在说,即使你没有足够的能量翻越一座山,你也有可能突然出现在山的另一边,就好像你挖了一条不存在的隧道一样。这颠覆了我们对能量守恒和因果律的朴素理解。我们总是认为,要达到某个结果,必须要有足够的“能量输入”或者满足某种“条件”。而量子隧穿效应告诉我们,在微观层面,概率扮演着一种我们难以想象的角色,能够“绕过”我们认知的规律。

我们看到这些现象,往往会觉得不可思议,甚至怀疑自己的眼睛和大脑。但正是这些与直觉相悖的事实,推动着我们不断探索科学的边界,也让我们更深刻地认识到,我们赖以生存的宏观世界,只是更宏大、更奇妙的宇宙规律在特定条件下的表现。如同伽利略当年一样,我们有时需要放下那些根深蒂固的“理所当然”,去拥抱那些看似荒谬的真相。

网友意见

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对温度的错觉:

我在山区搞矿产普查的时候,有一次要测量溪流的水温,我们一般人感觉山间小溪的水一定是很凉的,所以会比空气温度低,但其实温度计显示的结果是溪水的温度比空气高1℃。

这是因为人感受到的冷是根据皮肤流失热量速度来的,虽然水的温度比空气高一点,但水的导热性比空气好,皮肤在水中散失热量的速度更快。所以人感到更冷,但温度不一定更低。

如果大家要解冻冰箱里的食物,可以打一大桶水,把食物浸没进去,解冻速度比放在空气中快。即使这桶自来水在我们感觉上比空气“更凉一些”,但因为水的热容量大,供给冻肉的热量比空气更多。

同理,南方某些地方的冬天,同样的气温下,人在室外会感到比北方更冷。(注:秦岭,淮河以南都是南方,不仅仅是广东,福建)

所以“感觉更冷不一定是因为温度更低!”,这也是科学研究中为什么要用数据说话的一个例证。


******

没想到这个回答收到了这么多的赞,使我想继续把它写得完善一点,我又回去翻了翻物理学史。

18世纪中叶以前,人们一直都是把热量和温度混为一谈,认为两个概念是相等的。即使在科学家群体内也是如此(和我们普通人的感觉一样)。

不过有一位叫布尔哈夫的化学家提出了一种当时没法解释的实验现象:

把40℃的水和同体积80℃的水混合在一起,混合后都温度为60℃,这符合我们的直觉,但是如果换成80℃的酒精来混合,就不会是60℃,而是低于60℃。

英国化学家布莱克继续研究不同温度的水和水银混合后的温度,发现等量的热质加热水银后得到的温度比同重量的水更高。于是,他便提出了“热容量”一说。人们才开始区分热量和温度。

虽然我们现在都上了物理课,理解了比热容,热量这些概念,但在当时时代,或者如果没有受到物理教育的人群,还是很难摆“直观感觉”的束缚的。比如我们小时候还能接触到那种提水的水井,人们都知道井里的水“冬暖夏凉”,大部分的人是不知道为什么的。我家乡周围的人认为井里的水温度冬天比夏天高,但其实科学的解释是:地下水的温度全年变化不大,因为土层有隔热作用,基本上冬天井水比夏天低3-4℃。只是冬天气温比井水低,夏天气温比井水高,在感官上形成对比,让人误以为冬天井水更暖。

*******

我再继续补充一些,继续讨论“冷热”:

1自然空气由于有对流,所以在一个比较小的区域,空气温度相差不大,我们在户外感受到热的一个主要来源是“晒”,也就是太阳的热辐射。夏天的时候,有些天气节目很吓人,说是放个鸡蛋在地面,一会就熟了。大家不用怕,这个地面温度是被太阳晒的,离开地面向上,很快气温降下来。再比如夏天乘凉,躲在房子阴影里面,就算隔一步的距离就是外面大太阳,人也会感到明显的冷热差别,但这个差别主要是来自太阳辐射,空气气温其实相差却很小。


2“热传递”是两个物体同时互相发射和接受热量的结果。所以“变冷”是由于这个物体被改变环境,导致它自己发散了热量很多,但接受别人的热量很少。而不是那种被外界“主动夺走”。

这里就要反驳一下我初中物理辅助教材写的一个故事了:故事为了说明“蒸发吸热”,讲一个教授跑到非洲去考察,碰到一个村庄便向当地妇女讨口牛奶喝,那位妇女答应了,接着却惊人地提出先把“把牛奶晒凉了更好喝”,只见妇女把湿毛巾裹着一瓶牛奶放在太阳底下晒,过一会拿给教授喝。教授了一口果然冰凉,然后恍然大悟“蒸发吸热!”。

我小时候自己手动验证过,不光换了牛奶还是水果,根本不不能变凉!当湿毛巾的水被太阳晒干后,里面的东西就变热了!

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金属的味道。

在我很小的时候,每次练完琴,触摸硬币,铁钉等等金属,我的手上总会有一股金属的味道。那种味道臭臭的,很不好闻。这件事深深地埋在了我的脑海里,以至于我不喜欢练琴也不喜欢用硬币,而且每次触摸金属之后都很快去洗手。

可是,当接触了简单的物理和化学之后。这个问题变得十分诡异。因为金属不可能有味道,或者说就算有,你是闻不见的。简单来说,闻见一个物体产生的味道需要两个条件:1. 这个物体具有挥发性,也就是说它能在室温变成气态;2. 你鼻子里的受体感受器可以与它结合让你闻见。对于化学品来说,由于分子内作用力,一般来说,固体大于液体大于气体。对于金属来说,分子内作用力(金属键)很大,通常我们就认为这玩意根本没有挥发性。

你也许会提到汞,没错汞是金属,汞也会产生汞蒸气,可是汞蒸气不会被气味的感受器捕捉,所以你还是闻不见。要不然,中世纪西班牙也不会有罪犯去开采汞矿的这种实质意义上的“死刑”。

说回来,常见的金属并不存在挥发性,你的鼻子也没有和它结合的气体感受器。那么我们闻见的那股味道又是什么呢?

其实绝大多数金属都具有催化的活性,你的手也并不是一个干净的系统,油脂,汗等等都在你的手上,这些化学物质里面主要是有机物,其中很重要的一个就是lipid peroxide,当你的手触摸金属(尤其是含铁的),lipid peroxide 就会被金属催化发生反应。产生各式各样的产物。这些产物中,很有意思的一个就是1-辛烯-3-酮,而这个化学品就是“金属”味道的源头。

所以,谜底揭晓,下次你可以试试带着手套好好地洗干净一枚硬币,然后擦干后仔细的闻一闻。这样你绝对不会闻见那股“金属”的恶臭了。

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好多人问为什么血里也有这个味道。我就知道我放在下面的链接没人看。。来,提升一下英文阅读能力。

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捷径可能是曲折的。——也是和伽利略有关的一个著名错误。

走最近的距离不一定是最快到达的。

一个简单直观的实验

两个小球位于同一个高度和起点,分别走两条路,左侧是相对平直的路,右侧是波动较大的路。

同时释放

最后右侧走的路更长,波动更大,但是先抵达

视频如下

https://www.zhihu.com/video/1124624016618651648

理论解释应该是“最速曲线”:

两点之间一小球滚下,不是直线的连线下降最快,而是小球在最速曲线上滚下最快。

在一个斜面上,摆两条轨道,一条是直线,一条是曲线,起点高度以及终点高度都相同。两个质量、大小一样的小球同时从起点向下滑落,曲线的小球反而先到终点。这是由于曲线轨道上的小球先达到最高速度,所以先到达。然而,两点之间的直线只有一条,曲线却有无数条,那么,哪一条才是最快的呢?
伽利略于1630年提出了这个问题,当时他认为这条线应该是一条直线,可是后来人们发现这个答案是错误的。1696年,瑞士数学家约翰·伯努利解决了这个问题,他还拿这个问题向其他数学家提出了公开挑战。牛顿莱布尼兹、洛比达以及雅克布·伯努利等解决了这个问题。这条最速曲线就是一条摆线,也叫旋轮线
最速曲线的形状为曲线,起始近乎垂直加速,让物体获得了快速通过后半程水平位移的能力,平均速度最快。

ps :视频来自抖音,版权归抖音所有。

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