用量子物理学原理解释为什么振金可以吸收能量(论发散思维的重要性)

admin 2018-09-16 阅读


写了很多年技术文章,现在也来做做科普,另外,也让大家体验下思维的真正力量。知识并不重要,重要的是驾驭知识的能力以及天马行空的想象力!希望广大读者不要将本文当成一篇普通的科普文章,而当做进入思维殿堂的入口。无论读者从事哪种职业,思维,尤其是发散思维,都会对你未来的人生起到至关重要的影响。

说在前面的话

尽管本文标题是做一下量子物理学科普以及解释为什么“振金”可以吸收能量,但本文所展现的知识关联和联想能力是一切科学(包括但不限于计算机、物理、化学、生物学、机械工程学)所必备的基本素养,只有拥有这些能力,才会在科学研究以及工作中有新的突破。不管你是程序员、还是科学家、工程师、医生、教师,都会从这种能力中获得力量。

本文将回答如下为什么:

  • 为什么原子要不断运动
  • 如何得知亿万光年外天体的大气组成
  • 为什么我们会感觉到太阳的温暖
  • 高温火焰为什么是蓝色的
  • 电子真的存在吗
  • 在量子世界中原子和电子有怎样的关系
  • 光的频率是怎样产生的
  • 美国队长的盾×××为什么能那么抗揍
  • “振金”为什么能吸收能量
  • “振金”为什么能为瓦坎达提供能源
  • “振金”在通过磁悬浮高速列车运输时为什么要使用声波稳定器才安全
  • “振金”汽车为什么会被脉冲武器轻而易举摧毁

正文

相信很多人都看过漫威旗下的各种超级英雄电影。尤其是2018年上映的几部,如黑豹、复仇者联盟3。

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不过我在这里并不会讨论电影的细节。而是将焦点放在《黑豹》中的虚构国家瓦坎达中特有的金属“振金”上。尽管漫威宇宙和《黑豹》的故事是完全虚构的,但科幻也分为硬科幻和软科幻,像那些什么玄幻小说,完全胡说八道那种,很明显属于软科幻,也就是毫无科学依据,完全凭作者的想象力写成的。而硬科幻尽管故事情节是虚构的,但很多高科技产品或武器都是以现实世界的科学理论为基础的延伸,就拿“振金”来说,最引人注目的特性就是可以吸收能量。那么问题来了,“振金”也是金属的一种,为什么可以吸收能量呢?吸收的能量跑到哪里去了,其实这个问题完全可以用量子物理学解释。

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量子物理,听起来好高深的样子,好像是只有极少数科学家才能玩的东西。其实如果你不试图用复杂的数学公式去证明假设和推导理论的话,还是相对好理解的,因为量子就在我们身边。

首先要理解一下什么是量子。要将这个词分成两部分,一个是“量”,一个是“子”,“量”是指能量的意思,“子”是指粒子的意思。也就是说,“量子”的意思就是“带有能量的粒子”。

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现在暂时将量子抛到一边,感受一下太阳给我们带来的温暖,然而这些温暖的感觉是怎样来的呢? 太阳距离地球1个天文单位(约1.5亿公里),我们怎么会感觉到离得如此遥远的天体的温度呢?

我们拿着三棱镜反射阳光,会看到三棱镜将太阳光分解成多种不同颜色的光,这就是大家再熟悉不过的七色光(赤橙黄绿青蓝紫)。那么为什么会有不同颜色的光呢?其实有过一点点光学知识的同学都应该清楚,光的颜色是由频率决定的,频率越高,颜色就越偏蓝,频率越低,颜色就越偏红。频率低到一定程度,发出来的光肉眼就看不到了,称为红外线,频率高到一定程度,发出来的光肉眼也看不到了,称为紫外线。而只有在一定频率内的光,肉眼才会看到,称为可见光,也就是三棱镜反射出来的七色光。

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其实不同物质发出的光的频率是不同的,所以我们会看到五彩缤纷的世界,不同物质发出不同频率的光的特性在天文学上有一个非常重要的应用,就是分析亿万光年外天体的大气成分。由于不同物质(包括各种气体)会发出不同频率的光,所以氢气、氦气、氧气、氮气发出的光的频率是不同的,只要分析接收到的光谱,就可以很容易得知是什么物质发出来的光,从而得知这个天体的气体成分。

通过光学的基础知识,只能得出光的颜色和频率的关系。但问题又来了,为什么不同物质可以发出不同频率的光呢?为什么在火把面前会感受到它的温度呢?

不管是初等化学,还是初等物理,都会讲到物质的最小单元是原子,原子由原子核和围绕在原子核周围的电子组成。原子核带正电、电子带负电,正负抵消,所以物质才不带电。其实这只是表象而已。

对于刚开始接触物理和化学的学生,老师只会给他们讲这个,因为更高深的理论可能老师也不太清楚。然而,在1925年,著名物理学家海森堡就已经给出了答案:电子并不总是存在,而只在原子相互作用下才存在的。

在1925年的一个晚上,海森堡一个人在大街上一边散步,一边思考高深的物理问题(也就是本文要涉及的量子理论),在1925年,可不像现在半夜12点还灯火通明,到了晚上,基本就是漆黑一片,只有零星的路灯,周围的环境只比绝对漆黑亮一点。海森堡突然看到前方一个人在走路,由于路灯的作用,那个人走到的路灯下,会清楚地看到那个人,当走到黑暗的地方,那个人就会消失,于是海森堡灵光乍现,意识到那个人并不是真的显现或消失,只是在路灯和黑暗的作用下才会若隐若现,于是迅速回到办公室,经过复杂的数学计算,得到了我们前面给出的结论:电子并不总是存在,而只在原子相互作用下才存在。

那么这个结论是什么意思呢?基本的意思就是电子和科幻电影一样,为了解释物质是中性的而虚构出来的,那么物质确实是中性的,这又怎么解释呢?其实解释只有一个,电子确实存在,但并不像我们想象的那样,将原子核比作恒星,电子比作若干个行星,围绕着原子核恒星旋转,其实这完全是错误的理解。这只是用宏观世界的展现形式来理解微观世界,量子世界与宏观世界完全是两回事(看过《蚁人》的同学应该很清楚)。

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确实有一股能量将原子核的能量抵消掉了,这是一堆能量包,或者称为量子的集合(带有能量的粒子),现在的问题是,这些能量包是如何产生的呢?这就要看海森堡的下半句话了:而只在原子相互作用下才存在。这里的原子相互作用是指原子之间的相互碰撞。碰撞就会产生能量,这些能量就是我们所说的电子,也就是说,电子本质上是经过原子(其实就是原子核)之间不断碰撞而产生的能量包。而不是大多数人认为的像玻璃球一样真实存在的带有维度的小颗粒。这里还有一个隐含的意思,就是为了产生大量的能量包(电子),组成物质的原子必须不断地运动,也就是说,地球上存在的所有物质中的原子都不是静止的,而是不断运动,相互碰撞的。

当原子之间碰撞产生能量包后,能量包(也可以成为量子)会沿着不同轨道运动,不过根据量子含有的能量大小不同,这些量子会突然跳到另外的轨道,在物理学上称为“量子跃迁”,量子跃迁可能会很多次,在一定时间内,量子跃迁的次数称为量子跃迁的频率。某种物质的原子的量子跃迁频率是固定的,而原子之间的碰撞会不断进行,所以量子也会不断产生,就会有很多量子脱离原子,以电磁波形式向外传播,这就是为什么我们会感觉到火把、太阳光的温度,因为我们被脱离原子的量子击中。那么每一个量子到底带多少能量呢?我们都知道爱因斯坦的能量公式:E = mc^2。但在量子物理学中还有另外一个用于计算量子包含能量的公式:E = kv。其中k是普朗克常数,而v是一个变量,表示量子跃迁的频率,从光学角度看,就相当于光波的频率。这里的光波本质上就是量子以电磁波形式传播,所以光本身拥有波粒二象性。也就是说,既可以用波的理论解释,也可以用粒子理论解释。根据这个公式,很显然,量子跃迁的频率越高,包含的能量越大,从宏观表现看就是我们的皮肤感觉到越热。

由于量子跃迁的宏观表现就是光的频率,量子跃迁频率越高,光的频率越高,也就是光的颜色越偏蓝色,这样我们就会感觉到越热。所以温度的高低不是由总能量决定的,而是由光的频率(量子跃迁频率)决定的,这也是为什么高温的火焰都是呈现蓝色的原因。

前面说了一大堆,最终得到了一个理论,或称为一个知识点。也就是组成任何已知的物质的原子都是在不断运动的,以便产生量子来抵消原子核的能量,还有就是向外不断以电磁波形式发射能量包(量子)。现在回到本文的主题“振金”上来,根据漫威宇宙的描述,“振金”的原子是完全静止的,也就是说,“振金”内部是不会产生任何量子的。当然,这也会带来科学上的不严谨,如果不产生量子,物质就会带有能量,很显然,“振金”表面上不带任何能量,只会吸收能量。我们暂且做一个假设,“振金”的原子核也比较特殊,即使没有量子,在一般情况下,也不会将能量释放出来。但在高速运动(注意,这是一个彩蛋)或在巨大力量撞击时,就会释放原子核中的能量。

看过《美国队长》全系列以及《复仇者联盟》全系列的同学应该了解美国队长的盾×××,这不是普通的盾×××,而是用“振金”做成的盾×××,就是用这个盾×××,挡住了×××、挡住了×××、挡住了绿巨人的拳头、挡住了雷神的锤子,甚至挡住了获得6块无限原石的灭霸的一记重拳。这些×××都有一个共同点,就是冲击力巨大。而“振金”的特性就是当遇到巨大冲击力时,原子核的能量就会释放(根据冲击力的大小,会释放相应等级的能量),但由于冲击力同样会产生巨大的能量,所以冲击力的能量和原子核所释放的能量正好抵消了,这也是为什么用“振金”做的盾×××几乎可以抵御任何强度的能量×××原因。
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其实“振金”还有另外一个用途,就是可以提供能源,而且是绝对清洁的能源。因为“振金”原子核蕴含着巨大的能量,通过某些方式可以让其释放,所以瓦坎达人发现这一特性后,科技就迅速崛起,因为能源是文明发展的基石,一个文明能控制的能源越多,就发展的越快,科技也会越先进。不过当瓦坎达人在用高速磁悬浮列车运输“振金”时,却需要将“振金”稳定,而黑豹-特查拉同父异母的妹妹苏瑞公主想到一个办法,用声波稳定器在运输的过程中稳定“振金”。之所以要稳定“振金”,就是因为“振金”中的原子核不光在受到巨大冲击力时会释放能量,而且在高速运动时也会释放能量,相信瓦坎达在以前研究“振金”时也因此出过事,死过人,所以才想到这样一个办法。

《黑豹》中并没有解释过声波稳定器的原理,但根据量子理论不难猜到,无外乎用以下两种方式:

  1. 增强原子核的稳定性,让其在高速运动时不会释放能量。
  2. 让“振金”的原子像普通物质的原子核一样运动和碰撞,产生足够中和“振金”原子核释放出的能量。

不管用那种方法,声波稳定器会将“振金”暂时变成普通的金属。这也就是为什么黑豹的“振金”战衣在受到声波稳定器的影响后不能保护黑豹的原因,因为战衣已经暂时变成了由普通金属做成的战衣了。

在《黑豹》中还有一个场景,瓦坎达人驾驶着由“振金”做成的汽车追一些偷“振金”的贼,结果被有个家伙用从瓦坎达偷走的脉冲武器击中了“振金”汽车,结果“振金”汽车立刻零碎了。很多漫威粉感到奇怪,“振金”盾×××甚至可以抵御灭霸的拳头,难道区区一个脉冲枪都抵挡不了?看到有很多人解释,是由于“振金”汽车中参有其他普通金属,脉冲武器就是击中了这些普通金属,所以才会让“振金”汽车解体。我要说的是,你在逗我吗?瓦坎达的“振金”堆成山,就连灯罩都用“振金”做的,还缺汽车上的那几块金属?怎会让“振金”汽车有这么严重的瑕疵。

“振金”汽车被脉冲武器摧毁的原因只有一个。就是脉冲武器的原理类似于声波稳定器,可以让“振金”暂时变成普通金属,无法吸收能量。而“振金”汽车并不像普通的汽车通过焊接和螺丝组装在一起。而是通过“振金”零部件中蕴含的能量通过某种方式连接在一起的,当“振金”变成普通金属后,无法吸收能量,这些连接就自动失效了,而且脉冲武器应该也会带有一定的能量输出。所以“振金”汽车就会四分五裂。不过“振金”汽车并没有爆炸哦,甚至连一点火花都没有。这也说明一点,“振金”汽车使用的能源并不是普通汽车使用的汽油或电能,而是使用“振金”本身的能源,也就是说,“振金”汽车本身就是一块超级电池,这块电池释放出的能量也许够这辆汽车使用10000年。估计现在要是有这样的电池,特斯拉就会立刻破产了。

好了,本文要解释的理论都说完了,最后感谢漫威宇宙和瓦坎达给我们带了的视觉盛宴、丰富的想象力以及背后的科学知识,瓦坎达万岁!

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来源:未知

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