什么事只有物理学家们知道,普通人不知晓?

风继续吹


物理学有多个领域,物理学家彼此的知识并不是完全重叠的。所以,泛泛的说物理学家知道,普通人不知道,意义不大。但有一件事,是所有物理学家都知道,但多数普通人不知道,却又非常重要的事,那就是我们这个宇宙隐藏着的一个终极奥秘之一:

最小作用量原理。 它不难理解,但却隐藏着深奥。


最小作用量原理,宇宙的终极奥秘之一。

最小作用量原理的牛逼之处在于,它贯穿在经典物理和相对论物理和量子物理学中,它横行于宏观世界和微观世界里,它是物理学家理解宇宙奥秘最重要的一条线索,但是却不知道,为什么宇宙要按照最小作用量原理运转。

图示:抛出去的球通常不会在空中拐来拐去,就算有空气摩擦有旋转,也是比较明确的弧线。如果在月球上抛,那就是标准的抛物线了。这就是最小作用量原理的典型体现。


最小作用原理:费马对了,牛顿错了。

图示:光的反射路径


早在古希腊时代,先贤欧几里得在研究光学的过程中,发现了一个现象,那就是当光线照射到镜子上时,其反射角总是等于其入射角,他将此发现写到专著《反射光学》(Catoptrica)一书中,但他不明白这是为什么。后来,亚历山大城的另一个牛人希罗证明,只有当反射角=入射角时,光线穿过的路径长度才是最短的!这是历史上对最小作用量原理的第一次接触。

图示:希罗发明的汽转球是史上第一部蒸汽机,早于工业革命两千年。所谓汽转球,是由一个空心球和一个密闭锅组成,两者以两个空心管连接在一起,在密闭锅中加水,并在锅底加热,使水沸腾,形成的水蒸气后由空管进入到空球中,水蒸气从球体的两个喷口喷出,形成力矩,由此使得球体转动。看起来只是一个玩具。过于超前的技术,难于得到应用,因为其它相应的技术匮乏,比如连杆轴承等等。但汽转球的确是史上第一个利用蒸汽动力的玩具。


自希罗之后年,著名数学家费马,在1662年,就是提出著名费马大定理猜想的那个费马,将欧几里得和希罗的发现,最终归纳为费马定理,又称为“最短时间原理”或更正确的表述“平稳时间原理”,虽然多数时候,光走过的路径是需时最少的路径,但有些时候则不然。但是,光走过的路径,一定是光程取极值的路径,这个极值可能是最大值、最小值,甚至是函数的拐点。


按照费马原理,光的行为必须满足下列三条基本的要求。

  1. 光线在真空中只能进行直线传播。更正确的说法是按最短距离传播。
    在爱因斯坦的扭曲时空中,光在局部也依然是直线传播的,只不过整体上看才变成了曲线。那时候的人默认宇宙的空间是平直的,想不到引力会扭曲时空。
  2. 光线反射定律:当光线在任意界面上反射时, 出射角必须等于入射角。
  3. 光线折射定律:折射光必然与反射光在法线同侧,入射角和折射角之间满足特定数学关系,该关系即是介质对光线特定的折射率。钻石折射率高,因此打磨得好的钻石就能看到火彩。

图示:钻石的火彩正是钻石高折射率对日光的色散导致的。并且通过精心打磨的角度,光线在钻石内部来回反射之后,能将部分色散后的光正面反射到人眼中,产生动人的光学效果,就这效果值钱,否则钻石也就是块透明的石头罢了。


按费马原理的推论,当传输光的介质的密度越小,则光速越快,真空中光速达到最大值。但是,同时代的物理学家牛顿则认为介质密度越大光速越快,但牛顿错了。错就错在,牛顿作为经典物理学的奠基者,还没有深刻领会到”最小作用量“原理。


一百多年后,1788年,拉格朗日创立分析力学,正式将费马原理推广。运用最小作用原理,基于数学解析的方法,重构了经典的物理力学。自此之后,最小作用原理,成为物理学入门必备的知识,是所有物理学家都知道的事,并广泛应用到每一个物理学领域之中。哪怕是后来新出现的如量子物理学中,也同样能用上,这暗示我们最小作用原理,是我们这个宇宙最深刻的属性之一。


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三思逍遥


还是在学生时代,我偶然地机会看到了一种叫做 “鲁珀特之泪” 的神奇物理现象,当时的互联网并不发达,我花了相当长的时间泡在图书馆才弄清了它的来龙去脉。


玻璃是我们生活中极其常见的物质,属于非晶体材料,其主要成分为二氧化硅。在我们常人的印象中,玻璃制品极其脆弱易碎,实际上玻璃也有不为人知的“坚强”。

我们可以在自己家中操作一个小实验来见证玻璃的“坚强”。先准备一把金银加工用的高温喷枪、一根玻璃棒和一杯含有冰块的水,打开喷枪后对着玻璃棒吹燃,几分钟之后,玻璃棒会慢慢熔化,然后让其垂直滴入冰水中,就会形成蝌蚪状的类似眼泪一样的玻璃固体。

这种玻璃眼泪极其坚固,你可以用铁锤对准它的头部敲击不碎,它的头部还可以被重达8吨的卡车碾压也不碎,然而,若是抓住其纤细的尾巴、稍微给它施加一点压力,那么整颗玻璃眼泪就会瞬间爆裂四溅、彻底粉碎。

这就是著名的“鲁珀特之泪”,据说它被17 世纪德国鲁珀特亲王无意间发现,遂得名。

“鲁珀特之泪”的原理叫做“裂纹扩展”,源于其内部不均衡的压力,当熔化的玻璃滴入冰水中时,玻璃表面迅速冷却形成外壳,而壳下的玻璃还仍然是液态。等到核部的玻璃也冷却凝结体积变小时,液态的玻璃自然而然地拉着已经是固态的外壳收缩,导致靠近表面的玻璃受到很大的压应力,同时核心位置也被拉扯向四周,受到拉应力。

科学家用用交叉偏振光镜可以看到“鲁珀特之泪”内部压力的分布:

当“鲁珀特之泪”外部遭到破坏时,这些残余应力迅速释放出来,使得裂纹瞬间传遍全体、支离破碎,据高速摄影技术观测,其裂纹的传递速度可达秒速1450米-1900米。

“鲁珀特之泪”因为它的神奇而赋予的爱情寓意: 愿你有鲁伯特之泪般的心,万物不摧,但也愿有一人终知你心,稍纵即碎!

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本文参考网络资料而成,不喜勿喷,如果你喜欢这篇回答,就随手关注我吧,你的支持必将让我加倍努力。你知道哪些神奇的物理现象呢?请来评论区留言吧!


青青子衿悠悠我心2017


1. 大多数东西都是局部平坦,只要你贴得很近去看。所以,你可以把大量的物理系统简化为一系列的弹簧和波动方程,即平面力=二次电位=谐振子。

2. 最小动作原理实际上是一个数学概念,而不仅仅是一个模糊的想法,类似于“事物都选择阻力最小的路径”。你可以用它来预测许多事物的行为,甚至于量子场!拉格朗日函数真棒!

3. 对称性不仅仅使问题变得更容易,而且对我们所知道的生命是必不可少的。我们从不加质疑的那些守恒定律都是由此而来的!看看诺特定理!

4. 如果你的理论不能用来计算物理量,那么,你的理论就不能算是物理。这对很多人是一种警戒,他们声称“我的新理论可以解释一切,推翻了爱因斯坦!”

5. 我们所有的科学理解都仅仅是对现实的一种近似。关键是知道什么时候你的近似是有用的,什么时候它们根本就帮不了你的忙。

6. 有时候,最简单、最不复杂的东西其实是最有力量的。黑洞就是一个例子。

7. 数学性不太强的科学门类之所以那样,不是因为它们的学科比较简单,而是因为它们的学科太复杂了,它们不适合应用数学工具。比如生物学、社会学、等等。

8. 科学普及工作者们使用各种震撼人心的类比来向外行门解释物理学,但都与事物真相相去甚远。你不能通过量子隧穿穿墙,纠缠不是在远处的幽灵行动,黑洞不是通往其他宇宙的无限密集的门户。很抱歉……

9. 星际旅行之类的事情不仅仅是个工程问题。光的速度和声屏障不是一回事。

10. 不管你在物理上有多老练,你总是会觉得自己很笨拙,因为你周围的人比你更擅长物理。


小鸽子看世界


所有需要定量计算的环节


宣宏宇


物理学研究范围很广,许多领域和我们的日常生活离得很远。即使是我们身边的事情,比如引力,爱因斯坦的广义相对论的解释也让我们理解不了,越看科普性解释越糊涂,而他的真正的理论就更看不懂,说普通人不知晓也不为过。我们普通人离物理学前沿研究很远很远,基本上全不知晓!


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