在物理学中,存在着许多令人惊奇的效应,有的就发生在日常生活中,有的则发生在遥远的深空,有的在多年之后终于被验证,有的则依然停留在理论层面。下面,我们将从最熟悉的效应开始,一直畅游到宇宙深处……

多普勒效应 

无论是在地球上,还是在整个宇宙中,多普勒效应无处不在。

一辆正在鸣笛驶来的汽车,从它向我们靠近到离我们远去,鸣笛的音调会发生变化,这是生活中最常见的多普勒效应。

更具体的说,当声源(或光源)相对于观测者移动时,观测者所接收到声波(或光波)的频率会发生变化。当源朝着接收方移动时,源的波长会变短,频率变高;如果源的移动方向是离接收方远去,那么波长会变长,频率降低。

多普勒效应在天体物理学中的应用更为显著,天文学家可以根据“红移”和“蓝移”来判断一个天体是在离我们远去还是向我们靠近。不同光波的频率对应不同的颜色,向我们靠近的天体,光波会向蓝光偏移,而远离我们的天体光波会向红光偏移。从探测恒星或星系靠近或远离我们的速度,到发现系外行星的存在,多普勒效应都扮演着重要的角色。

 蝴蝶效应 

一只在亚马逊河流域的蝴蝶挥动翅膀,引发了美国得克萨斯州的异常龙卷风……这个耳熟能详的故事,实际上描述的是在一个复杂系统的状态上出现的微小变化,可以在不久之后导致剧烈的变化。这样一种现象被称为蝴蝶效应。

当气象学家罗伦兹(Edward Lorenz)在谈到蝴蝶效应时,他实际上想要表达的是“混沌”这一概念。在混沌系统中,一个微小的调整就可能产生一系列的连锁效应,从而彻底地改变最终结果。

关于混沌的最令人惊讶的事情之一,可能就是物理学家用了很长时间才意识到它的普遍性,而这种历史性的空白之所以存在,部分原因在于混沌系统很难分析。对于某些非线性系统来说,哪怕我们能以任意精度测量出最微小的扰动,也只能对其在有限时间内作出预测。

这种混沌效应几乎出现在各种物理系统中。比如从量子水平上看,黑洞也会表现出类似的混沌行为。对于黑洞来说,哪怕是出现将一个粒子扔进这个深渊这样的微小改变,也可能彻底改变黑洞的行为方式。

 迈斯纳效应 

当一种材料从一般状态相变至超导态时,会对磁场产生排斥现象,这种现象被称为迈斯纳效应。1933年,迈斯纳(Walther Meissner)和他的博士后奥切森菲尔德(Robert Ochsenfeld)在对被冷却到超导态的锡和铅进行磁场分布测量时发现了这种效应(因此它也被称为迈斯纳-奥切森菲尔德效应)。

当把超导材料放入磁场中时,超导体内部的磁通量会被即刻“清空”。这是因为磁场会使得超导体表面出现超导电流,该超导电流又反过来在超导体内产生与外磁场大小相等、方向相反的磁场,两个磁场相互抵消,使超导体内形成恒定为零的磁感应强度。因此从外部看起来,就像是超导体排空了体内的磁感线一样。

当把超导材料放在磁铁上时,只要这个磁体的磁场强度不超过特定极限,超导体便可以悬浮在磁体上方。这是因为迈斯纳效应让磁场发生畸变,产生了一个向上的力。

如果磁场的强度持续增加,超导体就会失去超导性,这类具有迈斯纳效应的超导体被称为I型超导体,它们都是金属超导体。还有一些超导体不具有或者只拥有部分迈斯纳效应,它们被称为II型超导体,通常是各种由非金属和金属构成的合金材料,这类超导体在强磁场下也能维持超导性能。

 阿哈罗诺夫—玻姆效应 

这是物理学中一个不太为人所知却意义重大的效应。

在经典电磁学中,只有在粒子直接与电磁场接触了的情况下,粒子才会受到场的影响。但在1959年,阿哈罗诺夫(Yakir Aharonov)和玻姆(David Bohm)两位理论物理学家提出,量子粒子就算从未直接与一个电场或磁场接触,也能受到这个电场或磁场的影响。在提出之后,这一观点遭到了广泛的质疑。

经典电磁学中的电场和磁场是负责所有物理效应的基本实体,电磁场可以用一个被称为电磁势的量来表示,这个量在空间的任何地方都有一个值。从电磁势可以轻易地推导出电磁场。但电磁势的概念曾一直被认为只是一个纯粹的数学概念,不具有任何物理意义。

然而1959年,阿哈罗诺夫和玻姆提出了一个“思想实验”,将电磁势与可测量的结果联系了起来。在这个思想实验中,一束电子被分成两条路径,分别绕着一个圆柱形电磁铁(或螺线圈)的两侧运动,磁场集中在线圈内部,而且磁场大小可以被调节的极弱。因此这两条电子路径可以穿过一个基本没有场存在的区域,但这个没有场的区域的电磁势并不为零。

阿哈罗诺夫和玻姆从理论上论证了这两条不同路径上的电子会经历不同的相位变化,当这两条路径上的电子再重新结合时,可以产生可被检测到的干涉效应。阿哈罗诺夫-玻姆效应描述的就是量子粒子会受到的这种可被测量的经典电磁势的影响,表明电磁势不仅仅是一种数学辅助,而是真实的物理存在。

现在,物理学家已经通过一系列实验观测到了阿哈罗诺夫-玻姆效应。

 网球拍效应 

网球拍效应描述的是当把一个网球拍的一面朝上,旋转着将它抛向空中,接着球拍会绕着一个轴旋转的情况。当让球拍绕着横轴旋转时,会出现一种令人惊讶的效应:球拍除了会绕着横轴进行360度的旋转之外,几乎总是会出人意料地绕纵轴进行180度的翻转。

这种效应是由在抛掷过程中产生的微小偏差和扰动,以及三维刚体在三个不同的惯性矩下运动造成的。如果一个刚性物体有三个旋转轴“1”、“2”、“3”,也就是说它拥有三种不同的旋转方式,其中轴1的长度最短,轴3的长度最长,那么物体绕着轴1和轴3的旋转最稳定,而绕着中间轴轴2则不稳定。这种奇怪的效应是经典力学的结果,我们可以通过欧拉方程计算出这种效应。

在空中旋转的网球拍是这个效应的一个典型例子,这个效应也因此得名。它也被称为Dzhanibekov效应,以俄罗斯宇航员Vladimir Dzhanibekov的名字命名。1985年,Dzhanibekov在太空中发现了这个效应。

这个效应适用于所有轴1小于轴2,轴2小于轴3的三维刚体,即便中间轴的长度与轴3可能非常接近,也会出现这种绕着最长和最短的轴旋转稳定;而绕着中间轴的运动则会出现即使在最小的干扰下,也会引发的180度翻转现象。

 光电效应 

当光照射在金属表面时,它会将围绕着原子核旋转的电子“踢”出来,这便是著名的光电效应。但是要让这一切发生,光的频率必须高于某个阈值——这个值的大小取决于材料。如果频率低于阈值,那么不论光的强度有多大,都无法将电子踢出。

1905年,为了解释光电效应,爱因斯坦(Albert Einstein)提出了光实际上是由量子——即光子构成的,而光子的能量正比于频率。爱因斯坦也因提出光电效应而在1922年被授予诺贝尔物理学奖。

光电效应非常重要,它不仅是光合作用的基础,同时也是现代许多电子设备,如光电二极管、光导纤维、电信网络、太阳能电池等等的理论基础。

 霍尔效应 

1879年,年仅24岁的霍尔(Edwin Hall)发现了一个神奇的现象。他注意到,如果将一个有电流流过的金属片放到磁场中,让磁感线以垂直的角度穿过金属片的表面,那么在既垂直于磁场又垂直于电流的方向上就会产生一个电势差,这种现象便是霍尔效应。它之所以发生,是因为带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力的影响,使其运动方向发生偏转。

霍尔的实验是在室温下以及中等强度的磁场(小于1T)下进行的。到了20世纪70年代末,研究人员开始使用半导体材料,在低温(接近绝对零度)和强磁场(约30T)的条件下,研究霍尔效应。在低温半导体材料中,电子具有很强的流动性,但它们只能在一个二维平面中运动。这种几何上的限制导致了许多意想不到的影响,其中一个就是改变了霍尔效应的特征,这种变化可以通过测量霍尔电阻随磁场强度的变化而观察到。

1980年,德国物理学家冯·克利青(Klaus von Klitzing)在类似的实验条件下发现,霍尔电阻随磁场强度的变化不是线性的,而是呈阶梯式的。阶梯出现的位置与材料属性无关,而是与一些基本物理常数除以一个整数有关。这便是整数量子霍尔效应,是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。这一发现也为冯·克利青在1985年赢得了诺贝尔物理学奖。

在对量子霍尔效应的后续研究中,研究人员又惊喜地发现了霍尔电阻的一个新阶梯,比冯·克利青发现的最高电阻高三倍。随后,研究人员发现了越来越多这样的新阶梯,所有新台阶的高度都能用以前的常数表示,但需要它们除以不同的分数。正是因为这个原因,新的发现被命名为分数量子霍尔效应。

 量子隧穿效应 

在日常生活中,如果我们把一颗大理石放入一个密封的盒子中,大理石显然是不可能从盒子逃出来的。但当我们把大理石变成一个量子粒子,把盒子换成量子盒子时,粒子是由一定概率可以逃出来的,这个现象被称为量子隧穿效应。

这里我们所说的困住的粒子的量子盒子,实际上是指能量势垒。量子隧穿之所以可能发生,是因为电子具有波的特性。量子力学为每一个粒子都赋予了波的特性,而且波穿透障碍的概率总是有限的。

虽然这听起来有悖于直觉,但确实真实存在的效应。你可能听说过,太阳发出的光要经过8分钟才抵达地球。然而,如果没有量子隧穿效应,太阳永远不会发出这些光子。在恒星中的这种氢聚变中,两个质子都带正电,会相互排斥。斥力会妨碍这两个粒子在太阳核心中因过于靠近而发生聚变,然而量子隧穿却让这些粒子可以“穿过”屏障,让聚变发生。

 卡西米尔效应 

这是一个表明“真空”不“空”的效应。

我们都知道,一个带正电和一个带负电的金属板如果靠得很近,那么它们之间就会存在相互吸引的力。但如果这两块金属板不带电呢?物理学家发现,在真空中它们也会相互吸引。这就是卡西米尔效应。

1948年,卡西米尔(Hendrik Casimir)预言真空中两个不带电荷的金属板会因为电磁场的量子涨落的影响而受到吸引力,力的大小随金属板距离的四次方成反比。之所以有这种力存在,是因为金属板之间充满了包含能量的电磁波,当它们相互靠近时,真空中的一些波会逐渐被挤压出去,使得周围空间的能量高于金属板之间的能量,推动它们继续靠近,从而表现得像是存在一种吸引力。

卡西米尔效应预言的吸引力非常微弱,以至于大部分情况下都可以忽略不计。直到1997年,物理学家们才有足够精确的手段能直接证实卡西米尔效应的存在。

在卡西米尔效应被提出不久就有物理学家开始思考是否可以逆转卡西米尔效应——将吸引力转化成排斥力。2010年,有科学家提出应该存在能让吸引力和排斥力相互抵消的方法,从而在两个表面之间建立一种平衡态。2019年,加州大学伯克利分校的张翔教授和他的团队做到了这一点。

 霍金效应 

黑洞,是宇宙中最神秘的天体,它的引力是如此之强,以至于任何东西一旦进入了它的事件视界就再也无法逃脱。近年来,科学家不仅探测到了黑洞合并辐射出的引力波,也“拍”下了黑洞的第一张图像。

在20世纪70年代初,霍金(Stephen Hawking)发现了黑洞最奇妙的效应。他证明了黑洞是具有温度的,并指出黑洞释放的热辐射的温度与黑洞的质量成反比。这是他最著名的科学成就:霍金辐射。

根据量子场论,所谓的真空并不是完全空的,而是充满了量子涨落——虚粒子对会不断的冒出又湮灭。当这些虚粒子对出现在黑洞的事件视界附近时,虚粒子对中的其中一个会被黑洞捕获,另一个则会逃逸。落入黑洞的粒子必须拥有负能量,这样才能保持总能量不变。而对于外部的观测者而言,黑洞刚刚发射了一个粒子。

然而,想要试图测量这种效应是一件非常难的事情,因为霍金辐射非常微弱,很容易被渗透在整个宇宙中的宇宙微波背景辐射完全抹去。