PDF《Q：两块磁铁上下放置,上面的那块磁铁理论上有一》

读者和编者 ・45卷(2016 年)

12 期Q:倘若我把一张纸巾揉成细长的形状,把其一端放 入水杯中,结果水就自己沿着纸巾上来了,是谁对它 做的功?又是怎么做的? A:纸巾的主要成分是纤维素和各种增强剂.

纤维素 呈网状结构,由于浸润现象,会对水产生一定的引 力,使水被吸入纸内,这个过程中分子间引力做功, 系统的总势能减小,尽管水的重力势能增大,系统整 体势能依然减小,处于更稳定的状态.可以用空水瓶 和纸巾自己做一些实验,比较纸的种类和水上升的高 度和快慢的关系. Q:弹力到底是四种基本力中的什么力? A:弹力不是四大基本力,弹力是四大基本力中的电 磁力的宏观表现.本质是材料分子在外力做功下偏离 电磁场基态,电磁场被激发而储存的额外能量就是弹 性势能. Q:如何理解测量导致波函数的塌缩?是因为测量造 成的扰动相对于被测量的量子体系总是很大,这个很 大的扰动导致了波函数的塌缩吗? A:这种说法呢,对也不对.量子体系能量很低,因 而测量造成的扰动会对体系产生不可忽略的影响,这 个看法很正确.但是,细究起来,为什么会坍缩到被 测量的某一个本征态而不是其他什么随便的状态,却 并不显然.波函数的演化大致可以分为两类:按照薛 定谔方程的演化,记为 U;

以及观测导致的波函数的 坍缩,记为 R.目前,对于波函数坍缩的动力学过程 并没有公认的解释.对此已经有提出不少模型了.尤金・维格纳(Eugene Wigner)曾提出一种理论,大意是无 意识的物质按照 U 演化,而一旦有意识的个体和物质 所处的量子态发生纠缠,就会发生R的演化.罗杰 ・ 彭 罗斯(Roger Penrose)在一系列著作(比如《皇帝新脑》 、 《意识的阴谋》等)中创建了量子引力模型来解释波函 数R的演化.除此之外,不一而足.总之,R 的演化 作为假设可以建立完整的量子力学,但是我们仍然不 能很好地理解R的动力学原因. Q:两块磁铁上下放置,上面的那块磁铁理论上有一 个点使其受力平衡,即处于悬浮状态,为什么现实实 验找不到呢? A:对于平衡位置,首先需要区别几个概念:稳定平 衡、不稳定平衡、随遇平衡.比如一个小球放在山 谷,山顶和平地上都存在受力平衡位置,对应之前提 到的三种平衡方式.三种状态都是平衡状态,那它们 又有什么区别呢? 顾名思义,区别主要在于是否稳定,或者说对于 小的扰动是否稳定.碰一下位于山谷的小球,它会暂 时离开平衡位置,但又会很快返回;

而位于山顶的小 球则会直接滚下山.在这个问题中,上面的磁铁就是 处于这样一个不稳定平衡位置.只不过这个"不稳 定"是指处于一个方向角坐标的不稳定.也就是说, 它遇到扰动后会自发地翻个面,再被下面的磁铁吸 引.也就是说在下方的磁铁的作用下,会对上方磁铁 产生一个力矩,让它翻转过来.不过顺带说一下,如 果让上面的磁铁绕竖直的轴自转起来,这个原来会让 它翻转的力矩则只会让上面的磁铁发生进动而不至于翻 转过来(其实这就是一种叫磁悬浮陀螺玩具的原理). Q:光和电子都具有波动性,那么电子可以像光一样 被透镜约束,聚焦或者发散吗? A:虽说光和电子都具有波动性,但二者是有区别 的:光的本质是电磁波,而电子具有波动性对应的是 物质波,光之所以会被透镜聚焦或发散是因为它遵从 电磁波的传播规律.那么电子可以被聚焦或发散吗? 答案是肯定的.不过所用的"透镜"有点特别:电磁 * Q&A选自中国科学院物理研究所微信公众号每周五发布 的《问答》专栏.受篇幅所限,这些答案难以尽善尽美, 欲深度了解其中缘由的读者请同时参阅相关专业书籍. ・ ・