问题

你所在领域里最反直觉的物理效应是什么?

回答
说到我所在领域里最让我觉得“这怎么可能?”的事情,那非“量子纠缠”莫属了。它就像给我的世界观来了个大颠覆,至今想起来都觉得有点不可思议。

你想象一下,有两个粒子,比如电子,它们之间发生了某种奇妙的“联系”。这种联系是怎么发生的呢?通常是通过它们在同一过程中产生,或者以某种方式相互作用。一旦它们纠缠了,就好比它们成了某种“灵魂伴侣”,即使被分开很远很远,一个在地球,一个在月球,它们的状态也似乎永远是绑在一起的。

最让人抓狂的地方在于“状态”这个词。在量子世界里,粒子很多时候并没有一个确定的状态,而是处于一种“叠加态”,就像一枚硬币在空中旋转,你不知道它是正面朝上还是反面朝上,它同时是正面也是反面,直到你把它接住,它才会“选择”一个状态。

现在,把纠缠的两个粒子分开,一个在你手里,一个在我手里。我们都不知道我们手里的粒子是“自旋向上”还是“自旋向下”(这是电子的一种性质,有点像它在绕着自己轴心转动的方向)。直到我们其中一个人去测量。

假设我先测量了我手里的粒子,发现它是“自旋向上”。就在我测量的那一瞬间,另一个在你手里的粒子,不管它离我有多远,它会立刻、瞬间变成“自旋向下”。反之亦然,如果我测到我的粒子是“自旋向下”,那么你的粒子就一定会是“自旋向上”。

你可能会说,“这没什么啊,它们本来就这么设定的,就像我给你两个不同颜色的球,一个红色一个蓝色,我先给你红色,你就知道我手里那个是蓝色的了。”

错就错在这里!不是它们本来就设定好了的。在测量之前,它们两个都处于叠加态,你无法预测我的测量结果会是什么。这个结果是随机的。而且,这种状态的“确定”不是通过某种信号传递过去的,而是“瞬间”发生的。爱因斯坦对此非常头疼,他称之为“鬼魅般的超距作用”(spooky action at a distance),因为这似乎违反了光速不可超的原则。他的意思大概是,如果我的测量结果需要通过某种信息告诉你的粒子,那么这个信息传递的速度就不可能超过光速。但量子纠缠的表现,就像信息不需要传递,只是“知道”了对方的状态。

再深入一点说,这就像你和你的双胞胎兄弟,你们俩之间有一个约定:如果他今天穿了红袜子,你就一定会穿蓝袜子;如果他穿了蓝袜子,你就一定会穿红袜子。但关键在于,在出门前,你们俩都还没有决定到底穿什么颜色的袜子,或者说,你们俩都在同时考虑穿红和穿蓝的各种可能性。直到你出门前不小心看了一眼自己的袜子,发现是红色的,那一瞬间,你就能立刻知道你兄弟(无论他在世界的哪个角落)穿的一定是蓝色的袜子,而且这个“知道”是即时的,不需要打电话、发信息通知。

这种“瞬时性”和“非定域性”是量子纠缠最令人不安的地方。它挑战了我们对因果关系和信息传递的直觉理解。我们习惯于认为,一个事件的发生需要一个原因,并且这个原因需要时间来传播。但量子纠缠似乎打破了这一规则。

更让我觉得神奇的是,这种纠缠并非仅仅存在于单个粒子对之间。你可以让多个粒子发生纠缠,形成一个更加复杂的纠缠网络。一旦你干扰了这个网络中的任何一个粒子,整个网络的其他粒子都会受到影响。

想想看,我们是不是在“感知”这个世界的时候,也存在着某种我们尚未理解的“纠缠”?我们对信息的获取,对彼此的理解,有没有可能,也存在着比我们想象中更直接、更深刻的联系?虽然这是我的个人遐想,但量子纠缠确实让我开始重新审视我们对现实的定义,以及我们与宇宙之间关系的本质。这东西,研究起来总是让我有一种既着迷又有点恐惧的感觉。

网友意见

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码农界也会被物理效应影响。(由于计组忘得差不多了,以下猜测可能完全不合理,求指正)

有一次碰到一个奇怪的问题,线上项目的版本号是"4.18.14",那天我写sql统计每个版本的数据量的时候,发现有一条数据的版本号竟然是"4.q8.14"。

查看这条数据没有发现任何问题,不是爬虫,它的前后临近数据均没有任何异常,基本确定就是一个正常用户正常操作时产生的数据。但当天近百亿的数据中只有这么一条是4.q8.14。

苦思冥想不得其解将近1小时后,忽然想到了一个可能性。

它俩的ascii码的二进制表示只差1位!

可以看到,高能射线导致存储器比特位翻转,是一个很现实的问题,业界是做了很大的努力来避免这个问题的。所以我猜测,是某个高能粒子把某个寄存器位翻转了,导致1变成了q!

其实这也不是我唯一一次碰到类似的问题。之前还有一次,同样是在百亿数据中发现一个json串长成了这样:

                {         a:{         }         :b:         {}         },            

原本应该是逗号的地方变成了冒号。但逗号和冒号的二进制位如下:

差了3位,不应该这么巧合。但事情实在是非常诡异,只能往这方面猜了。

说它反直觉有点过了,但“宇宙射线导致数据错误”乍一听上去就是很玄幻,第一反应都是你在扯淡。

另外,射线也可能不都是来自宇宙,也可能来自附近的会产生高能电磁辐射的设备。

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电子显微镜的成像原理。

99.99%的非电镜领域的科研工作者的眼里,电子显微镜就是一个大号的光学显微镜,原理一模一样。就像下图,就是把光学镜片换成电磁透镜,把偏转光变成偏转电子就行了。很无脑,很简单是吧?

那么问题来了,请问下面这张八面体纳米晶体的电子显微镜照片里,是一个个亮的点阵代表原子,还是一个个暗的间隙代表原子?

“如果用一个普通人的思维,因为原子把电子“挡住了”,所以有原子的地方就变暗了,所以暗的地方是原子?”

错,大错特错。

“那.....难道亮的地方是原子?”

依然大错特错。

“要么就是亮的,要么就是暗的,总共就这两种可能,你说我猜的都错,你莫不是在逗我?”

我真的没有逗你。试问,当你考虑电子的时候,你认为电子是什么?电子实际上既是粒子,同时也是物质波。电子的波长和原子之间的间隙距离相近,这时候电子物质波通过原子组成的狭缝,会发生什么?

是的,会发生“双缝干涉实验”。

因而,衍射产生的亮暗条纹根本不代表原子的位置。电子显微镜的基础是量子效应,而不是宏观物理。这就是我的回答,对应题主说的“反直觉”。

那么这个亮暗能不能用数学公式描述呢?实际上是可以的,因为你知道晶体的布洛赫波函数,可以由此得到电子透过晶体之后,出射电子的波函数,波函数包含了位置信息和强度信息,就能知道哪里是亮的,哪里是暗的。当然,实际在电镜中,你还要考虑相差的影响,焦平面位置的影响,所以远比理论复杂,这就是后话了。

最后,再说个老生常谈的问题。知乎上有个倾向,就是见了材料,就是伪科学----不懂数学,不懂物理,反正无脑喷就完了。而见到物理,就是智商高,高大上,一通赞就完了。然而,他们不知道的是,材料和物理本来就是不分家的。比如我这个回答里面的电子显微镜,就完全是基于固体物理,但是更加引申进行推导,建立的成像理论。我提到的例子只是电镜领域最最简单的基础,一般都作为教材的第一章。而基于非弹性散射的EELS,包括最近几年的4D STEM,其理论要复杂的多,没有绝佳的数学和物理基础,基本上就是在看天书。实际上,这个世界真的能只用数学、物理、计算机解决的问题寥寥无几,绝大部分问题,并不能用简单的数学物理公式或者计算机代码去描述。数学、物理、计算机只是工具,工具能不能派上用场,要看各领域各学科的人如何使用它们。每个学科都有其存在的道理,无脑喷是起不到任何建设性作用的。

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夸克的禁闭效应

学过中学物理的都知道,两个电荷,同性相斥,异性相吸。

而距离越近,吸引力/排斥力越大;距离越远,吸引力/排斥力越小。如果两个电荷距离非常远,那么其实就没有什么力了。

对于磁铁和万有引力也都是这样的情况,用公式表示就是力与距离的平方成反比,势能与距离成反比:

如图1 所示的那样。

两个人距离远了之后,感情都会变淡呢!这看起来是非常符合直觉的一件事情:

距离越远,作用力越小!

但是在强相互作用中,两个夸克的作用力恰恰相反!

夸克的距离越近,力越小;夸克距离越远,力越大!

先来看看物质的构成:

普通物质是由原子构成的,原子是电中性的,是由带正电的原子核和带负电的电子构成的;原子核也是复合粒子,是由带正电的质子和不带电的中子构成的,原子核的正电荷就是来源于质子;而质子和中子也不是基本粒子,根据实验和理论分析,人们认为质子和中子都是由夸克构成的。如下图所示。

夸克理论很快得到了验证,很多理论上的预约都得到了实验上的支持!

但是,实验上一直没有找到一个独立的夸克!这让人很费解!

比如说,我们认为原子核是由质子和中子构成的,实验上也确实找到了独立存在的质子和中子。但是在夸克模型提出的时候,夸克没有任何实验基础,以至于夸克模型的主要提出者盖尔曼把夸克当做一种“数学上的”描述[1][2]

当然,后来的实验逐渐发现,质子和中子确实有更基本的内部结构,而夸克就是其中之一[3]

但是实验上没有发现任何独立的夸克,夸克全部都被“锁”在强子内部[4]

后来建立的描述强相互作用的量子色动力学(QCD)发现,夸克之间的强相互作用力非常特殊,两个非常重的夸克之间的力并不会随着距离的增加而降低,而是会随着距离的增加而增加!

就好像两个连在弹簧两端的连个小球:当距离很近时,二者几乎是自由的;但是分开的越远,吸引力就越大!

当距离较远的时候,为了把夸克分开,就需要提供很大的能量,而这个能量足够从真空中再激发出新的夸克,新激发的夸克与原来的夸克重新配对,就变成了两个强子!虽然原来的夸克被分开了,但是由和新的夸克抱团,依然不自由!

如下图所示:

人们把这个现象叫做“夸克禁闭”,也叫做“色禁闭”。所以,在现实中,没有自由的夸克,所有的夸克都被锁在强子里。要么一个夸克与一个反夸克构成介子,

要么三个(反)夸克构成(反)重子,

即使为夸克传递强力的胶子也能抱在一起,构成胶球。


注:

文中没有刻意区分“渐进自由”以及“夸克禁闭”这两个概念,夸克之间的相互作用力随着距离的降低而增大是渐进自由的性质,在理论和实验上均有验证,是高能时的现象;

而夸克禁闭则是实验上的结果,由于低能区的非微绕性,目前还无法从QCD直接导出这一结果。

真空不空

什么是真空?普通意义/经典物理中的真空就是一个粒子都没有,

但是量子场论则高速我们,真空不空!

在高能物理中,真空的定义是“最低能量的状态”,这个定义对于经典物理也是适用的,毕竟要从无产生一个质量为 的粒子,至少要输入

的能量,那么一个粒子都没有的真空,显然是能量最低的状态。

但这是自由粒子的情况,实际的粒子都是与其它粒子有相互作用的,这种相互作用,有的可以是排斥,有的可以是吸引。而如果是吸引,那么就有可能出现不一样的情况!

以引力举例,两个质量分别为 和 的物体的通过万有引力吸引到一起,距离为 ,那么这个整体的万有引力势能为:

是负的!

这个其实很容易理解,如果把这两个物体分开到无穷远,外力需要克服万有引力,对系统做功,当这两个物体距离很远的时候,势能为零。也就是说,系统吸收了正能量,总能量为0,那么分开之前,势能显然为负!

考虑一般的吸引的情况,系统除了势能外,还有粒子的静能和动能,假设粒子都是静止的,那么系统的总能量为:

显然,如果

那么总能量就是就为负,即

也就是说,如果没有粒子,那么系统的能量为0,即 ;

如果有粒子,那么系统的最低能量为负,即

显然后者的能量更低,对应于更稳定的状态,因此是真实的物理真空!

当然,上述是一个简化的模型,真实的真空要在量子场论中做细致地讨论。不过这能给出一个简洁的结论,就是有时候,有粒子的真空比没有粒子的真空能量更低!真空往往有着丰富的结构和现象!

今年费米实验室测量的 子反常磁矩,其中反常的部分就是来源于真空的量子涨落:

(上图[5]

不过要注意,任何可测量的粒子都是在真空之上的激发,就好像浪花都在水面之上。真空的效应往往在特殊的情况下才能表现出来。


我的上一个回答 (*^▽^*) 我的下一个回答

参考

  1. ^ 《希格斯 “上帝粒子”的发明与发现》 吉姆·巴戈特 著 邢志忠 译
  2. ^ 夸克模型是盖尔曼和纽曼与1961年分别独立提出的
  3. ^ 除了夸克,还有胶子
  4. ^ 强子是参与强相互作用的粒子的总称,质子和中子均为强子。
  5. ^ http://www.physics.adelaide.edu.au/theory/staff/leinweber/VisualQCD/ImprovedOperators/index.html

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