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中科院物理所

作者：NatalieWolchover

翻译：山寺小沙弥

审校：yangfz

物理学家们已经弄清楚了宇宙中一些非常精细的细节，从黑洞的半径到亚原子粒子的行为，然而这些我们都看不到。但是，生活中我们经常能遇到一些令我们感到惊讶的现象，它们之所以令人惊讶，是因为它们缺乏科学的解释（有的现象最近才得到解释）。

正如下文你将看到的那样，有些神秘的东西表面上看起来是平淡无奇的。

如果你摇动一盒混有各种坚果的什锦果盒，就会发现大的坚果会浮在上层，而细碎的小坚果则留在下面。而人们通常认为，根据重力原理，在一堆大小不一的颗粒物中，应该是比较大的和比较重的颗粒会沉在下面。实际情况恰恰与我们的常识大相径庭。这就是所谓的“巴西坚果效应”。而这个看似平淡无奇的现象，实际上涉及到物理学中一个神秘的未解之谜——如何描述大量相互作用物体。

在你摇动盒子的过程中，在各种各样的物体中（无论是坚果还是其他大小不一的物体），尽管重的物体受到的重力更大，但是随着时间的推移，较大的那个物体会逐渐上升，较小的物体会逐渐下沉。也许那些较小的物体是通过物体之间的夹缝到达底部的。对流也可能在其中起到一定的作用，它可能使细小物体沉积在底部。所有的这些可能性都可能和巴西坚果效应有关，但是没有人知道具体是哪些，或者在什么程度上影响此结果，所以至今没有较好的计算机模拟结果出现。

今天你洗泡泡浴了吗？也许没有，但你刮胡子、洗衣服了吗？泡沫在生活中随处可见，由于我们的司空见惯，我们很少思考这样一个问题：泡沫是固体，液体，还是气体？

根据加州大学洛杉矶分校的物理学教授DouglasDurian的说法：泡沫通常由95%的气体和5%的液体组成。不知为何，这样的混合使得它们体现出固体的某些特征。泡沫中的气体将液体分离形成微小气泡的基质，如果气泡的液体壁足够坚硬，泡沫可以在一定的时间里保持其形状。

然而，没有公式可以根据泡沫的大小或其所含液体的量来准确预测泡沫的硬度或柔软程度。“我们对泡沫的物理学原理知之甚少，”Durian对美国宇航局科学部如是说。

科学家们探索了一个半世纪了，可是还是没弄清楚为什么冰会使人滑倒。科学家们认为，固态的冰层上覆盖了一层薄薄的水，即使这层水很薄，由于液态水的流动性，使冰变滑，让人觉得难以在冰层上行走。但是，比较让人难以理解的是，和其他的固体不同，为什么偏偏只有冰会覆盖着一层水呢？

理论学家们推测，有可能是因为接触并滑动冰层使得冰层表面融化。有的人则认为，这层水在鞋子接触之前就存在，并且是由表面分子固有运动产生的。

不知你是否想过，为什么早餐的麦片会聚集在一起，或者粘在盛有牛奶的杯子边？这样的现象称为“麦圈效应”。这种丛生现象适用于任何漂浮的物体，包括你早上刮完胡子后水中的气泡和毛发颗粒。

剑桥大学的研究生DominicVella和哈佛大学的数学家LakshminarayananMahadevan是在2005年的论文中首次解释这个物理效应的人。他们证明，麦圈效应来自液体表面的几何形状。

表面张力使得牛奶的表面在杯子的中间略微塌陷。由于牛奶中的水分子被玻璃吸引，牛奶的表面在杯子的边缘向上弯曲。正是这个原因，边缘附近的麦片沿着这条曲线向上浮动，看起来好像它们紧贴着边缘。

另外，由于表面张力，你的杯子中间漂浮的谷物使得牛奶的表面出现凹陷，产生了一个倾角。当两块谷物接触时，它们的两个凹陷融合成一个，使得它们粘在一起。

磁铁：很奇怪，是吧！怎么了呢？

克利夫兰州立大学物理学教授，《物理基础》教科书（Wiley，2007年第8版）的作者JearlWalker解释说，磁场自然地从构成原子的带电粒子（特别是电子）中产生并向外辐射。

通常情况下，电子的磁场指向不同的方向，并相互抵消。（这就是为什么当你走动的时候，你体内的电子不会让你吸附在你的冰箱上的原因。）但是当一个物体中的所有电子以同一方向排列时，就像在许多金属中发生的那样显然，在磁体中），产生净磁场。这对其他磁性物体施加力，根据其自身磁场的方向吸引或排斥它们。

不幸的是，试图更深层次地理解磁力的本质上是不可能的。虽然物理学家们提出了量子力学，它非常准确地解释了粒子的行为，但人们没有办法直观地理解这个理论究竟是什么意思。

物理学家们想知道：为什么粒子辐射磁场，什么是磁场，为什么它们总是在两个方向上对齐，赋予磁体南北两极呢？“我们只是观察到，当你使带电粒子移动时，它会产生一个磁场和两个极点，我们不知道为什么。这只是宇宙的一个特征，数学解释只是试图理解自然给我们布置的家庭作业并获得答案。

静电是一种令人不愉快且神秘的存在。我们知道的是：当你的身体表面积聚过多的正电荷或负电荷，当你触摸某些物体后，这些电荷会中和放电。或者，当静电积累在别的东西上时，也会发生这种事情，比如说你接触到的东西。在这种情况下，你就是电荷的通路。

但为什么这些电荷会积累在一起呢？我们目前尚不清楚。常见的（也许是部分正确的）解释说，当两个物体摩擦在一起时，摩擦力将电子从一个物体中的原子上撞走，然后这些电子转移到第二个物体上，使第一个物体的原子带有过量的正电荷，并给第二个物体过量的负电子。这两个物体（如你的头发和一个羊毛帽子）将带有静电。但为什么电子从一个物体流向另一个物体，而不是在两个方向上移动？

这从来没有得到过令人满意的解释，西北大学研究人员BartoszGrzybowski最近的一项研究发现，情况可能不是这样的。正如《科学》杂志所详述的那样，Grzybowski发现静态带电物体上同时存在过量正电荷和过剩负电荷。他还发现，在摩擦物体时整个分子似乎都在物体之间迁移。

显然，对静电的解释正在发生改变。

当阳光照射在地球大气中的水滴上时，就会形成彩虹。液滴有着和棱镜类似的作用，“折射”或将光线分离成其组分颜色，并将其从与太阳相反的方向以40至42度之间的角度发射出去。

当然，彩虹不再是什么神秘的科学问题。它们来自于光线通过球形滴：首先光线进入液滴表面后发生折射，然后在液滴里面被反射，并且在离开液滴时再次折射，所有这些折射与反射使其决定了最后的方向。这种解释17世纪物理学家艾萨克·牛顿的时代就已经知道了。

但想象一下，在那之前神秘的彩虹会是怎样的呢！因为它们如此美丽，而且如此神秘，所以它们在许多早期的宗教中都有一定特色。例如在古希腊，人们认为彩虹是天神使者在地球和天堂之间走过的路径。

原文链接：

https://www.livescience.com/33537-mysterious-physics-everyday-things.html

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