生命奧秘 7種日常事物中的神秘物理學...

7種日常事物中的神秘物理學

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【新三才首發】物理學家已經認識到了宇宙中的一些非常細緻的細節,從黑洞的半徑到亞原子粒子的行為,我們甚至都看不到這兩者。然而,對於我們在日常生活中觀察到的許多常見的現象,他們卻沒有解釋(或者最近才偶然發現它們),這可能會讓你感到驚訝。

正如你將在以下的敘述中了解到的那樣,一些最神秘的東西可能就是那些看起來很平凡的東西。

堅果

也許你已經注意到,在混合堅果的碗裡,巴西堅果似乎總是位於最上層。這被稱為「巴西堅果效應」,看似平凡的現象實際上是多體物理學(即描述大量相互作用物體的科學)中最大的未解之謎之一。

在各種各樣的東西中(無論它們是堅果,沉積物還是其他不同大小的物體),儘管它們受到更大的重力作用,但隨著時間的推移,較大的碎片會上升到頂部,而較小的物體隨著時間的推移則傾向於下沉。也許這些小東西穿過了空隙。可能對流也起了作用,小顆粒的聚集也可能起作用。所有這些或者更多的可能性可能有助於解釋巴西堅果效應,但沒有人知道是哪些因素,或有多大作用,所以電腦還不能成功的模擬出這種現象。

不僅堅果製造商,還有物理學家,天文學家和地質學家都會從對這個效應的理解中受益,所以下次你吃堅果或格蘭諾拉麥片,或者從一碗多力多滋的底部撈出碎屑時,試著思考一下涉及的物理學。

泡沫

今天有洗泡泡浴嗎?應該沒有,但你可能已經刮過鬍子,洗過碗盤,喝了拿鐵或啤酒,或者,幸運的話,吃了一塊派,上面再撒上一點奶油。

我們經常遇到泡沫,我們很少有人退一步來欣賞看看這些東西到底有多奇怪。作為初學者,讓我們思考一下:生奶油是固體,液體還是氣體?

加州大學洛杉磯分校物理學教授Douglas Durian表示,泡沫通常含有95%的氣體和5%的液體。不知何故,這樣合成之後也賦予了它們固體的某些特性。泡沫中的氣體將液體分離,形成微小氣泡的基質,如果氣泡的液體壁足夠剛硬,泡沫有時可以保持其形狀。

然而,沒有公式可用於根據泡沫的大小或其液體的含量來準確預測泡沫的硬度或滲漏程度。Durian告訴NASA的科學家說,「關於泡沫的物理學知之甚少」。

一個半世紀以來,科學上的探究尚未確定為什麼冰會讓你跌倒。科學家們一致認為,固體冰面上的一層薄薄的液態水會讓它變的滑溜,流體的流動性使它變得難以在上行走,即使這個水層很薄。但是,對於為什麼冰與大多數其他固體不同,會有這樣的一層,並沒有達成共識。

理論家推測,它可能是在冰面上的滑動融化了表面的冰。而有其他人認為在拖鞋到達冰面之前,流體層就在那裡,並且不知何故是由表面分子的固有運動產生的。

我們知道你正在尋找某人或某事來出氣,因為你正躺在冰面上冒火,但不幸的是,陪審團在這個問題上仍找不到兇手。

穀類

你可能會,也可能不會思考為什麼早餐的麥片會聚在一起或粘在裝牛奶碗的邊上。科學家們稱之為Cheerios效應,這種聚集現象適用於任何會漂浮的東西,包括碳酸飲料中的泡泡以及早晨刮鬍子後水中的鬍渣顆粒。

劍橋大學的研究生Dominic Vella和來自哈佛大學的數學家Lakshminarayanan Mahadevan是第一個用簡單的物理學來解釋這種效應的人,發表在他們2005年的論文裡。他們證明,Cheerios效應來自液體表面的幾何形狀。

表面張力使牛奶的表面在碗的中間略微塌陷。因為牛奶中的水分子被玻璃吸引,牛奶的表面在碗的邊緣向上彎曲。由於這個原因,靠近邊緣的麥片沿著這條曲線向上漂浮,看起來好像它們緊貼著邊緣。

同樣由於表面張力,漂浮在碗中間的麥片會使牛奶的表面凹陷,從而在其中產生下陷。當兩塊麥片接觸時,它們的兩個凹坑合而為一,並且它們粘在一起停在那裏。

磁鐵

磁鐵:非常奇怪,是吧?他們怎麼了?

克利夫蘭州立大學的物理學教授,也是知名的教科書《物理學基礎》(Wiley出版,2007年第8版)的共同作者Jearl Walker解釋說,磁場自然地從構成原子的帶電粒子向外輻射出來,特別是電子。

通常在物質中,電子的磁場指向不同的方向,彼此相互抵消。(這就是為什麼你路過冰箱時身體中的電子不會讓你吸附上去)。但是就像許多金屬的現象,當物體中的所有電子產生的磁場朝向同一個方向時,(很顯然地,在磁鐵中是這樣),會產生淨磁場。這會對其他磁性物體施加力,根據其自身磁場的方向來吸引或排斥它們。

不幸的是,試圖在更深層次上理解磁性,基本上是不可能的。雖然物理學家提出了一種稱為「量子力學」的理論,它可以非常精確地解釋粒子的行為,包括它們的磁性,但是沒有辦法直觀地理解這個理論的真正含義。

Walker告訴《生活小秘密》說道,物理學家們想知道:為什麼粒子能輻射磁場,什麼是磁場,為什麼它們總是在兩個方向之間對齊,給磁鐵帶來北極和南極?「我們只是觀察到當你讓帶電粒子移動時,會產生一個磁場和兩個磁極。我們真的不知道為什麼。它只是宇宙的一個特徵,而數學解釋只是嘗試通過大自然給的『家庭作業』來得到解答」。

靜電

靜電衝擊和它們令人產生不快一樣的神秘。我們所知道的是:它們發生在你的身體表面積聚了過量的正電荷或負電荷,當你觸摸某些東西時產生放電並讓你達到電荷中和。或者,它們可以在你的手碰觸到聚積過多靜電的門把時發生。在這種情況下,你是過量電荷的逃逸路徑。

但為什麼會積累電荷?目前還不清楚。常見的(也可能是部分正確的)解釋說,當兩個物體在一起摩擦時,摩擦力將電子從其中一個物體中的原子上剔除,然後這些電子移動到第二個物體上,使第一個物體留下過量帶正電的原子和提供第二個物體過量帶負電的電子。然後兩件物品(你的頭髮和羊毛帽)將被充滿靜電。但是為什麼電子從一個物體流向另一個物體,而不是兩個方向互相移動?

這一點從未得到令人滿意的解釋,西北大學研究員Bartosz Grzybowski最近的一項研究發現,事實甚至可能不是這樣。正如《科學》期刊6月刊中所詳述的那樣,Grzybowski發現在帶靜電的物體上存在過量的正電荷和過量的負電荷。他還發現,當物體被在一起摩擦時,似乎整個分子在物體之間遷移。

顯然,對靜電的解釋正在發生變化。

彩虹

當陽光照射在地球大氣層的水滴上時會形成彩虹。這些液滴就像是棱鏡一樣,「折射」出或將光分離成它的成分顏色,並使它們在與太陽相反的方向上以40到42度的角度射出。

當然,彩虹在科學上不再神秘。它們來自於光線穿過球形液滴的方式:它首先被折射進入每個液滴的表面,再從液滴的背面反射出來,並在離開液滴時再次發生折射,所有這些反彈路徑造成它最終的角度方向。這種解釋自17世紀物理學家艾薩克牛頓(Isaac Newton)時代就已為人所知。

但想像一下在此之前彩虹會是多麼的神秘!因為它們如此美麗而且如此令人費解,它們在很多早期宗教中都有出現。例如,在古希臘,人們認為彩虹是神的信使在地球和天堂之間旅行時所做的道路。

(編譯:心宇)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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