十大驚奇的物理效應

在物理學中，存在著許多令人驚奇的效應，有的就發生在日常生活中，有的則發生在遙遠的深空，有的在多年之後終於被驗證，有的則依然停留在理論層面。下面，我們將從最熟悉的效應開始，一直暢遊到宇宙深處……

都卜勒效應

無論是在地球上，還是在整個宇宙中，都卜勒效應無處不在。一輛正在鳴笛駛來的汽車，從它向我們靠近到離我們遠去，鳴笛的音調會發生變化，這是生活中最常見的都卜勒效應。

更具體的說，當聲源（或光源）相對於觀測者移動時，觀測者所接收到聲波（或光波）的頻率會發生變化。當源朝著接收方移動時，源的波長會變短，頻率變高；如果源的移動方向是離接收方遠去，那麼波長會變長，頻率降低。

都卜勒效應在天體物理學中的應用更為顯著，天文學家可以根據「紅移」和「藍移」來判斷一個天體是在離我們遠去還是向我們靠近。不同光波的頻率對應不同的顏色，向我們靠近的天體，光波會向藍光偏移，而遠離我們的天體光波會向紅光偏移。從探測恆星或星系靠近或遠離我們的速度，到發現系外行星的存在，都卜勒效應都扮演著重要的角色。

蝴蝶效應

一隻在亞馬遜河流域的蝴蝶揮動翅膀，引發了美國德克薩斯州的異常龍捲風……這個耳熟能詳的故事，實際上描述的是在一個複雜系統的狀態上出現的微小變化，可以在不久之後導致劇烈的變化。這樣一種現象被稱為蝴蝶效應。

當氣象學家羅倫茲（Edward Lorenz）在談到蝴蝶效應時，他實際上想要表達的是「混沌」這一概念。在混沌系統中，一個微小的調整就可能產生一系列的連鎖效應，從而徹底地改變最終結果。

關於混沌的最令人驚訝的事情之一，可能就是物理學家用了很長時間才意識到它的普遍性，而這種歷史性的空白之所以存在，部分原因在於混沌系統很難分析。對於某些非線性系統來說，哪怕我們能以任意精度測量出最微小的擾動，也只能對其在有限時間內作出預測。

這種混沌效應幾乎出現在各種物理系統中。比如從量子水平上看，黑洞也會表現出類似的混沌行為。對於黑洞來說，哪怕是出現將一個粒子扔進這個深淵這樣的微小改變，也可能徹底改變黑洞的行為方式。

邁斯納效應

當一種材料從一般狀態相變至超導態時，會對磁場產生排斥現象，這種現象被稱為邁斯納效應。1933年，邁斯納（Walther Meissner）和他的博士後奧切森菲爾德（Robert Ochsenfeld）在對被冷卻到超導態的錫和鉛進行磁場分布測量時發現了這種效應（因此它也被稱為邁斯納-奧切森菲爾德效應）。當把超導材料放入磁場中時，超導體內部的磁通量會被即刻「清空」。這是因為磁場會使得超導體表面出現超導電流，該超導電流又反過來在超導體內產生與外磁場大小相等、方向相反的磁場，兩個磁場相互抵消，使超導體內形成恆定為零的磁感應強度。因此從外部看起來，就像是超導體排空了體內的磁感線一樣。

當把超導材料放在磁鐵上時，只要這個磁體的磁場強度不超過特定極限，超導體便可以懸浮在磁體上方。這是因為邁斯納效應讓磁場發生畸變，產生了一個向上的力。

如果磁場的強度持續增加，超導體就會失去超導性，這類具有邁斯納效應的超導體被稱為I型超導體，它們都是金屬超導體。還有一些超導體不具有或者只擁有部分邁斯納效應，它們被稱為II型超導體，通常是各種由非金屬和金屬構成的合金材料，這類超導體在強磁場下也能維持超導性能。

阿哈羅諾夫—玻姆效應

這是物理學中一個不太為人所知卻意義重大的效應。

在經典電磁學中，只有在粒子直接與電磁場接觸了的情況下，粒子才會受到場的影響。但在1959年，阿哈羅諾夫）Yakir Aharonov）和玻姆（David Bohm）兩位理論物理學家提出，量子粒子就算從未直接與一個電場或磁場接觸，也能受到這個電場或磁場的影響。在提出之後，這一觀點遭到了廣泛的質疑。經典電磁學中的電場和磁場是負責所有物理效應的基本實體，電磁場可以用一個被稱為電磁勢的量來表示，這個量在空間的任何地方都有一個值。從電磁勢可以輕易地推導出電磁場。但電磁勢的概念曾一直被認為只是一個純粹的數學概念，不具有任何物理意義。

然而1959年，阿哈羅諾夫和玻姆提出了一個「思想實驗」，將電磁勢與可測量的結果聯繫了起來。在這個思想實驗中，一束電子被分成兩條路徑，分別繞著一個圓柱形電磁鐵（或螺線圈）的兩側運動，磁場集中在線圈內部，而且磁場大小可以被調節的極弱。因此這兩條電子路徑可以穿過一個基本沒有場存在的區域，但這個沒有場的區域的電磁勢並不為零。

阿哈羅諾夫和玻姆從理論上論證了這兩條不同路徑上的電子會經歷不同的相位變化，當這兩條路徑上的電子再重新結合時，可以產生可被檢測到的幹涉效應。阿哈羅諾夫-玻姆效應描述的就是量子粒子會受到的這種可被測量的經典電磁勢的影響，表明電磁勢不僅僅是一種數學輔助，而是真實的物理存在。

現在，物理學家已經通過一系列實驗觀測到了阿哈羅諾夫-玻姆效應。

網球拍效應

網球拍效應描述的是當把一個網球拍的一面朝上，旋轉著將它拋向空中，接著球拍會繞著一個軸旋轉的情況。當讓球拍繞著橫軸旋轉時，會出現一種令人驚訝的效應：球拍除了會繞著橫軸進行360度的旋轉之外，幾乎總是會出人意料地繞縱軸進行180度的翻轉。

這種效應是由在拋擲過程中產生的微小偏差和擾動，以及三維剛體在三個不同的慣性矩下運動造成的。如果一個剛性物體有三個旋轉軸「1」、「2」、「3」，也就是說它擁有三種不同的旋轉方式，其中軸1的長度最短，軸3的長度最長，那麼物體繞著軸1和軸3的旋轉最穩定，而繞著中間軸軸2則不穩定。這種奇怪的效應是經典力學的結果，我們可以通過歐拉方程計算出這種效應。

在空中旋轉的網球拍是這個效應的一個典型例子，這個效應也因此得名。它也被稱為Dzhanibekov效應，以俄羅斯太空人Vladimir Dzhanibekov的名字命名。1985年，Dzhanibekov在太空中發現了這個效應。

這個效應適用於所有軸1小於軸2，軸2小於軸3的三維剛體，即便中間軸的長度與軸3可能非常接近，也會出現這種繞著最長和最短的軸旋轉穩定；而繞著中間軸的運動則會出現即使在最小的幹擾下，也會引發的180度翻轉現象。

光電效應

當光照射在金屬表面時，它會將圍繞著原子核旋轉的電子「踢」出來，這便是著名的光電效應。但是要讓這一切發生，光的頻率必須高於某個閾值——這個值的大小取決於材料。如果頻率低於閾值，那麼不論光的強度有多大，都無法將電子踢出。

1905年，為了解釋光電效應，愛因斯坦（Albert Einstein）提出了光實際上是由量子——即光子構成的，而光子的能量正比於頻率。愛因斯坦也因提出光電效應而在1922年被授予諾貝爾物理學獎。

光電效應非常重要，它不僅是光合作用的基礎，同時也是現代許多電子設備，如光電二極體、光導纖維、電信網絡、太陽能電池等等的理論基礎。

霍爾效應

1879年，年僅24歲的霍爾（Edwin Hall）發現了一個神奇的現象。他注意到，如果將一個有電流流過的金屬片放到磁場中，讓磁感線以垂直的角度穿過金屬片的表面，那麼在既垂直於磁場又垂直於電流的方向上就會產生一個電勢差，這種現象便是霍爾效應。它之所以發生，是因為帶電粒子在磁場中會受到洛倫茲力的影響，使其運動方向發生偏轉。

霍爾的實驗是在室溫下以及中等強度的磁場（小於1T）下進行的。到了20世紀70年代末，研究人員開始使用半導體材料，在低溫（接近絕對零度）和強磁場（約30T）的條件下，研究霍爾效應。在低溫半導體材料中，電子具有很強的流動性，但它們只能在一個二維平面中運動。這種幾何上的限制導致了許多意想不到的影響，其中一個就是改變了霍爾效應的特徵，這種變化可以通過測量霍爾電阻隨磁場強度的變化而觀察到。

1980年，德國物理學家馮·克利青（Klaus von Klitzing）在類似的實驗條件下發現，霍爾電阻隨磁場強度的變化不是線性的，而是呈階梯式的。階梯出現的位置與材料屬性無關，而是與一些基本物理常數除以一個整數有關。這便是整數量子霍爾效應，是整個凝聚態物理領域最重要、最基本的量子效應之一。這一發現也為馮·克利青在1985年贏得了諾貝爾物理學獎。

在對量子霍爾效應的後續研究中，研究人員又驚喜地發現了霍爾電阻的一個新階梯，比馮·克利青發現的最高電阻高三倍。隨後，研究人員發現了越來越多這樣的新階梯，所有新臺階的高度都能用以前的常數表示，但需要它們除以不同的分數。正是因為這個原因，新的發現被命名為分數量子霍爾效應。

量子隧穿效應

在日常生活中，如果我們把一顆大理石放入一個密封的盒子中，大理石顯然是不可能從盒子逃出來的。但當我們把大理石變成一個量子粒子，把盒子換成量子盒子時，粒子是由一定概率可以逃出來的，這個現象被稱為量子隧穿效應。

這裡我們所說的困住的粒子的量子盒子，實際上是指能量勢壘。量子隧穿之所以可能發生，是因為電子具有波的特性。量子力學為每一個粒子都賦予了波的特性，而且波穿透障礙的概率總是有限的。

雖然這聽起來有悖於直覺，但確實真實存在的效應。你可能聽說過，太陽發出的光要經過8分鐘才抵達地球。然而，如果沒有量子隧穿效應，太陽永遠不會發出這些光子。在恆星中的這種氫聚變中，兩個質子都帶正電，會相互排斥。斥力會妨礙這兩個粒子在太陽核心中因過於靠近而發生聚變，然而量子隧穿卻讓這些粒子可以「穿過」屏障，讓聚變發生。

卡西米爾效應

這是一個表明「真空」不「空」的效應。

我們都知道，一個帶正電和一個帶負電的金屬板如果靠得很近，那麼它們之間就會存在相互吸引的力。但如果這兩塊金屬板不帶電呢？物理學家發現，在真空中它們也會相互吸引。這就是卡西米爾效應。

1948年，卡西米爾（Hendrik Casimir）預言真空中兩個不帶電荷的金屬板會因為電磁場的量子漲落的影響而受到吸引力，力的大小隨金屬板距離的四次方成反比。之所以有這種力存在，是因為金屬板之間充滿了包含能量的電磁波，當它們相互靠近時，真空中的一些波會逐漸被擠壓出去，使得周圍空間的能量高於金屬板之間的能量，推動它們繼續靠近，從而表現得像是存在一種吸引力。

卡西米爾效應預言的吸引力非常微弱，以至於大部分情況下都可以忽略不計。直到1997年，物理學家們才有足夠精確的手段能直接證實卡西米爾效應的存在。

在卡西米爾效應被提出不久就有物理學家開始思考是否可以逆轉卡西米爾效應——將吸引力轉化成排斥力。2010年有科學家提出應該存在能讓吸引力和排斥力相互抵消的方法，從而在兩個表面之間建立一種平衡態。2019年，加州大學伯克利分校的張翔教授和他的團隊做到了這一點。

霍金效應

黑洞，是宇宙中最神秘的天體，它的引力是如此之強，以至於任何東西一旦進入了它的視界就再也無法逃脫。近年來，科學家不僅探測到了黑洞合併輻射出的引力波，也「拍」下了黑洞的第一張圖像。

在20世紀70年代初，霍金（Stephen Hawking）發現了黑洞最奇妙的效應。他證明了黑洞是具有溫度的，並指出黑洞釋放的熱輻射的溫度與黑洞的質量成反比。這是他最著名的科學成就：霍金輻射。

根據量子場論，所謂的真空並不是完全空的，而是充滿了量子漲落——虛粒子對會不斷的冒出又湮滅。當這些虛粒子對出現在黑洞的事件視界附近時，虛粒子對中的其中一個會被黑洞捕獲，另一個則會逃逸。落入黑洞的粒子必須擁有負能量，這樣才能保持總能量不變。而對於外部的觀測者而言，黑洞剛剛發射了一個粒子。

然而，想要試圖測量這種效應是一件非常難的事情，因為霍金輻射非常微弱，很容易被滲透在整個宇宙中的宇宙微波背景輻完全抹去。