景区里手摩擦喷水的水盆，就是量子力学的样子 | 科学DIY

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我们在景区常常可以看到这样一种玩具，只要用手摩擦两端，它就会发出嗡嗡的声音，里面的水还会开始跳舞。

这个玩具叫做龙洗。实际上，龙洗中跳跃的水珠非常好玩，而且利用和龙洗类似的原理，我们还可以观察量子力学的世界呢。

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关键概念

法拉第波

材料和操作

扬声器一个

底部扁平的盘子

针管

洗洁精

水

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操作很简单：

1 把盘子放到扬声器上面，倒入水。

2 打开扬声器，放出声音。调整声音的频率，观察水面的图案。

3 在针管里倒入混有洗洁精的水，然后用针管在盘子里滴入液滴，观察新加入的液滴会不会和盘子里的水融合。

你也可以尝试滴入其他液体，比如啤酒等表面张力不同的液体，看看会发生什么事。

这是滴入咖啡后发生的情况——

你可以让扬声器发出各种频率的声音，看看液滴是否会形成。

@nighthawkinlight

原理

实际上，液滴和水面融合的过程叫做聚并（coalescence）。我们的实验里，液滴没有和下面的水面聚并，正是因为水面的振动。

@Roberto Zenit

物理学家们发现，如果让液体表面产生振动，那么新来的液体就可以无限期在表面游荡而不聚并。

即使加入更多的液滴，它们会像大珠小珠一样漂浮在水面上。

当然，这种情况不会一直持续下去，如果液滴的数量太多，那么最终就会发生聚并。

如果在液体表面施加垂直的正弦波，那么液面就会出现特殊的纹理——法拉第波（Faraday waves）。法拉第波是一种驻波（不会传播的合成波），是法拉第在1831年发现的。

用玉米面粉做的法拉第波

@richmond sio

这就是我们在景区观察到的让水滴跳舞的龙洗，还有寺庙里的磬的原理了。

龙洗的法拉第波

磬的法拉第波

对了，短吻鳄也是用法拉第波来呼唤配偶的。它们在水底下嚎的时候，水面就可以看到法拉第波。

而发生法拉第波的时候，不会聚并的液滴的体积特别大。看，你能相信这些果冻一样的珠子都是水吗——

如果让水面停止振动，那么液滴就会聚并。

法拉第波的故事到这里远没有结束。2005年时，巴黎第七大学的物理学教授 Yves Couder 发现，法拉第波可以很好地展现令人费解的量子力学的世界。

@Le projet Lutétium

看，这是硅油在产生了垂直的正弦波的液面上的情形。Couder 发现，可以用这个方法让硅油液滴振动几天都不会停下来和下面的液面聚并。

@Le projet Lutétium

更有意思的是，Couder 发现，产生法拉第波时，在液面表面弹跳液滴的行为符合量子力学的描述，会随机游走。此外，液体附近的波还会引导液滴的运动，类似于德布罗意提出的导航波。

硅油液滴附近的波类似于导航波，使液滴相互排斥或吸引。

@Le projet Lutétium

这些液体附近的场还会记录它们的行动轨迹。这些行为都符合量子力学的描述。

许多硅油液滴可以形成类似于晶体的结构。

@Le projet Lutétium

更有意思的是，此时弹跳的液滴还表现出了波粒二象性。

Couder 甚至用这种弹跳液滴复制了最让物理学家抓狂的实验之一，被费曼称为“包含了量子力学唯一的奥秘”的双缝实验。

Couder用硅油液滴做的双缝实验

@Le projet Lutétium

双缝实验证明了光的波粒二象性，而在法拉第波上弹跳的液滴，或许就是具有波粒二象性的光子的最好比喻。

尿尿的时候记得多抖抖，就可以看到量子的世界了哦！

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https://shimo.im/docs/vYDgkGHDVKdtPhcP/