難以理解,物理學家在地球上製造了「反重力」,一個顛倒的世界

2020-12-17 老胡說科學

小船在漂浮的液體層上和下面漂浮在地球上,一切都受地心引力的影響,它使物體落到地上,河流從高地流向大海。但我們能設計出一種反重力機器嗎?它能讓物體向上「下落」,讓船隻倒掛起來嗎?

有幾個虛構的世界可以描述這個概念,比如在《加勒比海盜3》中,傑克·斯派洛船長讓他的船漂浮在「上即下」的海洋底部。在漫畫《One Piece》中,冒險家們在雲層之上探索大海。這在現實世界中會發生嗎?

倒擺

20世紀初,人們進行了一項驚人的實驗。使用了一個鐘擺,類似於一根末端有重量的硬棒,當鐘擺垂直倒立,重量在頂部時。你可以預期,只要有最小的擾動,它就會回落下來。但是如果我們讓鐘擺垂直地振動,它就會保持倒置的位置(鐘擺保持倒立,無視重力)。任何人都可以在家裡做這個實驗,用一個簡單的揚聲器或電鋸來震動鐘擺。一個相互連接的鐘擺鏈也可以倒過來並且穩定。有了足夠的振動,在理論上甚至可以讓一根繩子像魔術一樣懸在空中。然而,在實際操作中,很難獲得足夠快的振動速度來進行這個實驗。

諾貝爾物理學獎得主彼得·卡皮扎在20世紀50年代發現了這一現象的解釋。這是一種動態效應,振動對鐘擺的重量起穩定作用,使其保持平衡。這個力可以從連接電機和鐘擺的懸掛點的振動與鐘擺位置之間的關係數學上找到。

小型船漂浮在一層懸浮液體的上面和下面。顛倒的液體

日常經驗告訴我們,液體不會保持倒立狀態。當蒸汽在鍋蓋上凝結時,或者當你在天花板上作畫時,液滴就會形成並最終下落。

但當天花板垂直振動時,我們觀察到這些懸掛的水滴被重新吸收到這層液體中,這層液體變得扁平,就好像重力倒置了一樣。這和鐘擺的原理是一樣的。懸浮的液滴振動產生向上的力,與它們的質量相反。當振動足夠大時,整個液體層保持穩定。

把一個物體放在懸浮的液體中會發生什麼?

當一個物體浸入液體中時,它的行為取決於它的密度。比液體密度小的物體會浮到表面,而密度大的物體會下沉。例如,在一桶水的底部的一個氣泡會浮到表面(因為在大氣壓下,空氣的密度比水小)。然而,在太空競賽初期,人們觀察到一個奇怪的現象。在飛行過程中,由于震動的影響,火箭燃料中的氣泡會下沉,而不是浮到表面,這可能會造成嚴重後果。對這一奇怪現象所做的廣泛研究表明,由火箭振動引起的氣泡振動導致了力的下降,與阿基米德的原理相反。

當垂直振動時,一個加重的鐘擺將在一個倒置的位置保持平衡。這個實驗可以很容易地用一個裝滿振動液體的容器來複製。你可以用注射器在液體中製造氣泡,並通過改變浴液的振動頻率來控制氣泡的運動。

如果你注入更多的空氣,甚至有可能填滿整個容器底部,從而使液體懸浮在氣墊上。這看起來似乎有些自相矛盾,但就像鐘擺或液體層一樣,振動使液體穩定下來,阻止它移動。因為它不能讓空氣逸出,所以它保持懸浮狀態。液體層越大,需要的高能振動就越多。我們的振動器能讓我們舉起半升液體。雖然離海洋還有很長的一段路,但已經足夠創建一個微型世界來玩了!

顛倒的世界

現在裝飾已經到位,是時候想像一下在這樣一個世界裡生活會是什麼樣子了。我們能在海洋下面遊泳或漂浮嗎?答案還很不明確,但似乎我們可以做到,就像我們可以浮在上面一樣!當漂浮的時候,在液體的上面和下面是沒有區別的。這種「反重力」的來源是相同的振動。振動對液體的原始影響在很大程度上仍未被探索,並有許多潛在的應用。振動可以以一種不同的、局部的方式為液體提供能量,而不需要直接接觸。在未來,這可以用來改變海水淡化的平衡,例如,或分離液體的混合物,以及混合到液體中的元素,用於廢水處理和油汙清理等。

這樣的實驗會讓你夢見船隻穿過小路卻看不到彼此,或者滿天都是帆船。這足以讓阿基米德從浴缸裡跳出來,或者把浴缸完全打翻。

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