什麼事只有物理學家們知道,普通人不知曉?

風繼續吹


物理學有多個領域,物理學家彼此的知識並不是完全重疊的。所以,泛泛的說物理學家知道,普通人不知道,意義不大。但有一件事,是所有物理學家都知道,但多數普通人不知道,卻又非常重要的事,那就是我們這個宇宙隱藏著的一個終極奧秘之一:

最小作用量原理。 它不難理解,但卻隱藏著深奧。


最小作用量原理,宇宙的終極奧秘之一。

最小作用量原理的牛逼之處在於,它貫穿在經典物理和相對論物理和量子物理學中,它橫行於宏觀世界和微觀世界裡,它是物理學家理解宇宙奧秘最重要的一條線索,但是卻不知道,為什麼宇宙要按照最小作用量原理運轉。

圖示:拋出去的球通常不會在空中拐來拐去,就算有空氣摩擦有旋轉,也是比較明確的弧線。如果在月球上拋,那就是標準的拋物線了。這就是最小作用量原理的典型體現。


最小作用原理:費馬對了,牛頓錯了。

圖示:光的反射路徑


早在古希臘時代,先賢歐幾里得在研究光學的過程中,發現了一個現象,那就是當光線照射到鏡子上時,其反射角總是等於其入射角,他將此發現寫到專著《反射光學》(Catoptrica)一書中,但他不明白這是為什麼。後來,亞歷山大城的另一個牛人希羅證明,只有當反射角=入射角時,光線穿過的路徑長度才是最短的!這是歷史上對最小作用量原理的第一次接觸。

圖示:希羅發明的汽轉球是史上第一部蒸汽機,早於工業革命兩千年。所謂汽轉球,是由一個空心球和一個密閉鍋組成,兩者以兩個空心管連接在一起,在密閉鍋中加水,並在鍋底加熱,使水沸騰,形成的水蒸氣後由空管進入到空球中,水蒸氣從球體的兩個噴口噴出,形成力矩,由此使得球體轉動。看起來只是一個玩具。過於超前的技術,難於得到應用,因為其它相應的技術匱乏,比如連桿軸承等等。但汽轉球的確是史上第一個利用蒸汽動力的玩具。


自希羅之後年,著名數學家費馬,在1662年,就是提出著名費馬大定理猜想的那個費馬,將歐幾里得和希羅的發現,最終歸納為費馬定理,又稱為“最短時間原理”或更正確的表述“平穩時間原理”,雖然多數時候,光走過的路徑是需時最少的路徑,但有些時候則不然。但是,光走過的路徑,一定是光程取極值的路徑,這個極值可能是最大值、最小值,甚至是函數的拐點。


按照費馬原理,光的行為必須滿足下列三條基本的要求。

  1. 光線在真空中只能進行直線傳播。更正確的說法是按最短距離傳播。
    在愛因斯坦的扭曲時空中,光在局部也依然是直線傳播的,只不過整體上看才變成了曲線。那時候的人默認宇宙的空間是平直的,想不到引力會扭曲時空。
  2. 光線反射定律:當光線在任意界面上反射時, 出射角必須等於入射角。
  3. 光線折射定律:折射光必然與反射光在法線同側,入射角和折射角之間滿足特定數學關係,該關係即是介質對光線特定的折射率。鑽石折射率高,因此打磨得好的鑽石就能看到火彩。

圖示:鑽石的火彩正是鑽石高折射率對日光的色散導致的。並且通過精心打磨的角度,光線在鑽石內部來回反射之後,能將部分色散後的光正面反射到人眼中,產生動人的光學效果,就這效果值錢,否則鑽石也就是塊透明的石頭罷了。


按費馬原理的推論,當傳輸光的介質的密度越小,則光速越快,真空中光速達到最大值。但是,同時代的物理學家牛頓則認為介質密度越大光速越快,但牛頓錯了。錯就錯在,牛頓作為經典物理學的奠基者,還沒有深刻領會到”最小作用量“原理。


一百多年後,1788年,拉格朗日創立分析力學,正式將費馬原理推廣。運用最小作用原理,基於數學解析的方法,重構了經典的物理力學。自此之後,最小作用原理,成為物理學入門必備的知識,是所有物理學家都知道的事,並廣泛應用到每一個物理學領域之中。哪怕是後來新出現的如量子物理學中,也同樣能用上,這暗示我們最小作用原理,是我們這個宇宙最深刻的屬性之一。


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三思逍遙


還是在學生時代,我偶然地機會看到了一種叫做 “魯珀特之淚” 的神奇物理現象,當時的互聯網並不發達,我花了相當長的時間泡在圖書館才弄清了它的來龍去脈。


玻璃是我們生活中極其常見的物質,屬於非晶體材料,其主要成分為二氧化硅。在我們常人的印象中,玻璃製品極其脆弱易碎,實際上玻璃也有不為人知的“堅強”。

我們可以在自己家中操作一個小實驗來見證玻璃的“堅強”。先準備一把金銀加工用的高溫噴槍、一根玻璃棒和一杯含有冰塊的水,打開噴槍後對著玻璃棒吹燃,幾分鐘之後,玻璃棒會慢慢熔化,然後讓其垂直滴入冰水中,就會形成蝌蚪狀的類似眼淚一樣的玻璃固體。

這種玻璃眼淚極其堅固,你可以用鐵錘對準它的頭部敲擊不碎,它的頭部還可以被重達8噸的卡車碾壓也不碎,然而,若是抓住其纖細的尾巴、稍微給它施加一點壓力,那麼整顆玻璃眼淚就會瞬間爆裂四濺、徹底粉碎。

這就是著名的“魯珀特之淚”,據說它被17 世紀德國魯珀特親王無意間發現,遂得名。

“魯珀特之淚”的原理叫做“裂紋擴展”,源於其內部不均衡的壓力,當熔化的玻璃滴入冰水中時,玻璃表面迅速冷卻形成外殼,而殼下的玻璃還仍然是液態。等到核部的玻璃也冷卻凝結體積變小時,液態的玻璃自然而然地拉著已經是固態的外殼收縮,導致靠近表面的玻璃受到很大的壓應力,同時核心位置也被拉扯向四周,受到拉應力。

科學家用用交叉偏振光鏡可以看到“魯珀特之淚”內部壓力的分佈:

當“魯珀特之淚”外部遭到破壞時,這些殘餘應力迅速釋放出來,使得裂紋瞬間傳遍全體、支離破碎,據高速攝影技術觀測,其裂紋的傳遞速度可達秒速1450米-1900米。

“魯珀特之淚”因為它的神奇而賦予的愛情寓意: 願你有魯伯特之淚般的心,萬物不摧,但也願有一人終知你心,稍縱即碎!

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青青子衿悠悠我心2017


1. 大多數東西都是局部平坦,只要你貼得很近去看。所以,你可以把大量的物理系統簡化為一系列的彈簧和波動方程,即平面力=二次電位=諧振子。

2. 最小動作原理實際上是一個數學概念,而不僅僅是一個模糊的想法,類似於“事物都選擇阻力最小的路徑”。你可以用它來預測許多事物的行為,甚至於量子場!拉格朗日函數真棒!

3. 對稱性不僅僅使問題變得更容易,而且對我們所知道的生命是必不可少的。我們從不加質疑的那些守恆定律都是由此而來的!看看諾特定理!

4. 如果你的理論不能用來計算物理量,那麼,你的理論就不能算是物理。這對很多人是一種警戒,他們聲稱“我的新理論可以解釋一切,推翻了愛因斯坦!”

5. 我們所有的科學理解都僅僅是對現實的一種近似。關鍵是知道什麼時候你的近似是有用的,什麼時候它們根本就幫不了你的忙。

6. 有時候,最簡單、最不復雜的東西其實是最有力量的。黑洞就是一個例子。

7. 數學性不太強的科學門類之所以那樣,不是因為它們的學科比較簡單,而是因為它們的學科太複雜了,它們不適合應用數學工具。比如生物學、社會學、等等。

8. 科學普及工作者們使用各種震撼人心的類比來向外行門解釋物理學,但都與事物真相相去甚遠。你不能通過量子隧穿穿牆,糾纏不是在遠處的幽靈行動,黑洞不是通往其他宇宙的無限密集的門戶。很抱歉……

9. 星際旅行之類的事情不僅僅是個工程問題。光的速度和聲屏障不是一回事。

10. 不管你在物理上有多老練,你總是會覺得自己很笨拙,因為你周圍的人比你更擅長物理。


小鴿子看世界


所有需要定量計算的環節


宣宏宇


物理學研究範圍很廣,許多領域和我們的日常生活離得很遠。即使是我們身邊的事情,比如引力,愛因斯坦的廣義相對論的解釋也讓我們理解不了,越看科普性解釋越糊塗,而他的真正的理論就更看不懂,說普通人不知曉也不為過。我們普通人離物理學前沿研究很遠很遠,基本上全不知曉!


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