我們的宇宙有bug嗎?(上)

2021-01-09 理性邊界

bug是IT專業術語,本意是「臭蟲」,現在用來指代計算機系統、遊戲中的安全缺陷。

有一種很有意思的平行宇宙理論,認為我們的宇宙就是一個計算機系統,那麼這個系統有沒有bug呢?

我們有沒有可能利用它們呢?我們來看看物理學的發現。

1、牛頓環

我們先從神秘的光說起,話說牛頓不僅用三稜鏡分解了日光,還在自己的著作中留下了一個「牛頓環」的現象。

將一塊微凸的透鏡放在平坦表面的頂部,兩者僅在中心接觸。如果從頂部照射單色光,平坦表面上就會出現一系列同心、交替的明暗環;如果照射的是白光,那將會看到美麗的彩虹圓環。

如此簡單的裝置就可以看到這樣的異象,難道我們每天都很熟悉的光線裡也有bug嗎?牛頓是如何看待這個問題的呢?

有趣的是,最早記錄牛頓環現象的並不是牛頓,而是和他爭奪萬有引力發現權的仇敵胡克。

針對光的本質這一問題,胡克也和牛頓站在了對立面上,胡克和惠更斯一起提出了波動說,而牛頓一直是微粒說的主力戰將,堅決抵制波動說。

即使遇到牛頓環這種用波動說更容易解釋的現象,他仍然努力在原有體系內修正他的理論,當然最後留給他的只有失敗。

其實,牛頓環現象,我們用一塊樹脂片就可以完成,如果你家裡有一塊較大的透明塑料尺,可以用指尖點擊某點,就可以觀察到輕微的牛頓環現象。

2、泊松亮斑

牛頓之後一百多年,波粒大戰烽煙再起,託馬斯楊於1807年發表了他著名的雙縫幹涉實驗。1818年,法國科學院發起了一次擂臺賽,鼓勵眾位科學家前來參戰,討論光的本性。菲涅爾參與了這次比賽,他提交了他的改進版波動說理論。

當時,法國科學家泊松是評審委員會的成員之一,他是微粒說的擁躉,也是一個非常較真的人。

他仔細的研究了菲涅耳的理論,試圖證明波動說是錯的。身為數學家的泊松一番計算,敏銳的發現,根據菲涅爾的理論,如果用一塊圓板阻擋來自點光源的光線,圓板身後陰影的正中心應該會出現一個亮點。

他認為這顯然是荒謬的,大喜過望的他正準備進行最終宣判。另三位評委卻給出了讓他大跌眼鏡的實驗報告,用一個點光源照射一個2毫米厚的圓盤,圓盤的陰影正中果真出現了泊松「預言」的亮點,我們的宇宙真的有bug!

這時候,大家一致「恭維」泊松:「哎呀,你太厲害了,竟然預言了如此不可思議的現象,這個現象就用你的名字來命名吧,叫做泊松亮斑吧。」求解泊松大師此時心裡的陰影面積。

為什麼之前那麼多年,都沒有人注意到這個亮點呢?

原因也很簡單,在這之前很難製造出很好的點光源。技術和理論的發展,就是這樣相輔相成的。

3、毛細現象

說完了光,我們再來說水。

這個現象我們都很熟悉,將一根細管插入水裡,管裡的水面竟然會自動上升。

能量守恆在哪裡?

難道,毛細現象是上帝的施捨?或者是宇宙系統的bug嗎?

你還別說,還真有人試圖利用毛細現象,製造出傳說中的永動機。

1827年,英國發明家康格裡夫爵士設計出一套裝置,用滑輪帶動一個斜面,從頂部到底部,貼附了一整圈的海綿,康格裡夫相信,由於海綿的毛細作用,他的裝置會持續運作。

靠一塊海綿就可以產生無盡的動力,這種設計當然是異想天開了,康格裡夫爵士的錯誤在哪裡呢?毛細現象究竟是什麼原理呢?

原來,水進入毛細管中,水和玻璃的界面增加,玻璃和空氣界面減小,前後的表面張力不同,釋放了一部分表面能,轉化成管中水的勢能。

所以,水在毛細管中的上升,提升的勢能實際上來自表面能的變化。

總之啊,想通過一根吸管找出宇宙bug,我們的心還是大了一點。

4、水被帶電物體偏轉

其實,關於水,還有很多我們意想不到的類似bug的現象。

最簡單的一個,我們在家裡就可以做這樣的實驗,用個氣球或者橡膠棒在頭髮上摩擦一下,讓它們帶電。然後把你家的水龍頭調成涓涓細流,一定要細哦。

用帶電的氣球或者膠棒靠近這涓涓細流,就會發現水流竟然會被帶電物體吸引。

如果你之前沒見過這種現象,會不會被驚呆?

什麼情況?

我們喝的水竟然是帶電的?

水這種稀鬆平常的東西也存在bug?

之前對這個現象的傳統解釋是,水分子存在極性。

但2000年,哈佛大學教授發表論文,表示帶電物體的靜電最多只能讓極性水分子定向排列,非極性分子組成的物質也可能會被帶電物體偏轉,其實引起水流偏轉的是水中的雜質離子。

看來,我們習以為常的現象裡還有很多東西值得深挖。

5、瑞利-貝納德對流

水裡的bug還有很多,這個實驗看上去也很簡單,在兩個平行板之間放置水,水層的寬度要遠大於其厚度,先將底板和頂板的溫度設置為一樣,這層水就很快達到熱平衡。

但這時給底板升溫,水就開始產生縱向的對流,這時候,我們竟然驚訝的發現,水中自動出現許多六角形的小格子。

這是怎麼回事?我們可什麼都沒幹啊?全自動啊!

這種現象被稱為「瑞利-貝納德對流」,它是對耗散結構理論最有力的證明。

熱力學第二定律告訴我們,一個體系總是變得更加混亂無序。

但耗散結構理論指出,熱力學並非簡單粗暴的禁止有序結構的自發產生,在系統和外界有物質和能量交換的情況下,同時伴有系統的熵產生(耗散),可以產生更有序的結構,這種有序結構就是「自組織」。

比如我們吃下有序的食物,排出無序的便便。

6、B-Z反應

化學裡還有這種奇妙的反應——貝洛索夫-扎鮑廷斯基反應,也叫B-Z反應

這一現象的發現歸功於貝洛索夫。1951年,他指出,將溴酸鉀、硫酸鈰,丙二酸混合在一起的時候,鈰元素將在四價和三價離子之間振蕩,導致溶液的顏色在黃色和無色溶液之間擺動。

這是由於四價鈰離子被丙二酸還原為三價鈰離子,然後被溴酸鹽氧化還原為四價鈰離子。

在這之前,也有人發現過類似的振蕩反應,但都因為違反熱力學第二定律而被認為是假的,或者是弄錯了。

貝洛索夫本人當時也無法解釋這一現象。

後來,扎鮑廷斯基對這一現象進行了詳細的研究,一直到了1969年,B-Z反應終於為人所知。

現在,科學家們又加入了鐵蛋白作為指示劑,如果在有蓋培養皿中進行這些反應,就會首先形成彩色斑點,而後成長為一系列膨脹的同心圓環。

你看到了什麼?是不是不斷有生命在湧現?

你要問這個神奇的反應除了炫酷還有什麼用?那你就看看這個,比如用它來做包裝紙……

7、姆彭巴效應

關於水,我們已經用了重力、電、加熱、化學反應去發現了各種bug,誰能想到,將水冷凍也會有bug呢?

這個bug還是由一個13歲的坦尚尼亞小孩發現的。

1963年,年僅十三歲的坦尚尼亞小學生姆彭巴在手工課上做冰激凌,他發現自己的動作慢了,於是將還未冷下來的熱牛奶放入了冰箱,最終竟然發現他的熱牛奶竟然更快結冰了。

當姆彭巴在一次物理講座上提出這個問題時,老師和同學都笑話他,認為這是無稽之談。

但演講的奧斯本教授並沒有無視姆彭巴小朋友可笑的問題,回去重新做了實驗,確認了姆彭巴的發現。

在這之後,無數科學家試圖從蒸發、對流、霜凍、導熱、氫鍵、結晶甚至密度泛函理論等角度去研究這個問題。

2012年,英國皇家化學學會還舉行了一場競賽,徵集論文,對姆彭巴效應進行解釋,竟然有超過22000人報名參加。

然而,到目前為止,還沒有一個被科學界普遍接受的理論能夠解釋這一現象。

你看,發現宇宙bug,小朋友也是可以的。

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