物理所直播时桌子上的混沌摆是什么原理？| No.397

Original Frions 中科院物理所

2024-08-25

在物理所的直播间里
你是否也注意到了一个出场率很高的角色
就是混沌摆
那你知道这是根据哪些原理摆动的吗？

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1.双缝实验中电子“知道”人们在观测它的行为，请问是真的吗？
2.苹果削了皮后过一段时间变黄了，有什么办法能让它恢复？
3.千斤顶为什么可以直接撑起一辆汽车？
4.人体含有那么多元素，为什么人火化时火焰不是五颜六色的？
5.混沌摆是什么原理（物理所直播时桌子上摆的）？
6.为什么气压越低，水的沸点越低？
7.一直不太理解：量子学中的“观测”是怎么定义的？
8.导致细胞分裂的机制是什么？是什么临界点触发了细胞分裂行为？

Q1

现在网上都流传一种对新式双缝干涉实验的惊人说法，大致情况是这种改进型的双缝干涉实验，是逐个发射单一电子，然后在双缝处放置一个探测器，用来探测电子到底穿过了哪条缝，结果这个实验的惊人之处就在于，只要放置了这个探测器，那么实验结果就不会看到干涉波纹，而是两条缝，似乎电子知道人们在观测它的行为。请问这个实验是真的吗？

by 匿名

答：
是真的，这是量子力学中经典的双缝实验。
首先明确一点，电子是用波函数来描述的，波函数在不同空间位置处都有一个特定的值，这个值的平方描述了在给定时间和给定位置找到电子的概率，因此我们常常有概率波的说法。
电子在运动过程中也是以波函数的形式进行演化的。当电子一个一个地发射，按照经典的想法，我们会认为电子要么通过左缝，要么通过右缝。而在量子理论中电子可以同时穿过两条狭缝，这种说法更准确的表述是：描述电子的波函数可以同时穿过两条狭缝，因为波函数在这两个狭缝处的值是非零的。当不放置探测器时，大量电子落在接受板上会呈现干涉条纹，这是由于波函数经过两狭缝后形成两个相干波的干涉叠加效果。值得注意的是，电子以几率波的形式传播，以粒子的形式到达接收板，干涉图像需要接收大量电子才能显示出来。
当我们通过在狭缝旁边装上适当的检测器来测定电子的路径信息，检测器观测到了电子的位置时，观测将电子的位置状态干扰了。也就是说不同于宏观上的测量，在微观世界中测量往往意味着会改变原系统的状态。因此在经过了中间测量后，明确了是经过左缝还是右缝的电子波函数不再具有相干性，所以不会看到干涉条纹，而是呈现两条独立的电子线。用量子力学的理论可以解释这个实验的相关结论，并没有上升到电子的意识。
实验装置图 | 图源网络
by 小线
Q.E.D.

Q2

苹果削了皮后过一段时间变黄了，有什么办法能让它恢复？

by 自然选择

答：
苹果变黄的过程被称作酶促褐变，其基本过程是酚类化合物在酚酶催化下氧化成邻醌类化合物，随后醌类物质经过一系列氧化缩合聚合形成褐色产物，从而导致褐变发生。
这个反应过程通常是不可逆的，反应前后细胞结构遭到破坏很难恢复原样。所以食品运输和加工中通常从酶促褐变发生的3个必要因素（酚类底物、氧气和酶）出发来抑制酶促反应，比如酸处理法、驱氧法、底物替代法等等。实际上苹果变黄并没有产生有毒物质，还是可以放心吃的，只是其色泽、营养价值、口感都会大打折扣。如果实在不喜欢，可以用小刀把变黄的部分削下去，下面的果肉还是松脆清甜的。
参考资料：
李彩云, 李洁, 严守雷, 等. 果蔬酶促褐变机理的研究进展[J]. 食品科学, 2021, 42(9): 283-292.
苹果切开后时间长了会发生氧化而变色，是不是就是花青素被氧化所致？- 中科院物理所的回答
by Sid
Q.E.D.

Q3

千斤顶为什么可以直接撑起一辆汽车？

by 匿名

答：
以液压式千斤顶为例，其工作原理主要有两个。第一个是杠杆原理，在1-手柄处通过杠杆设计来实现较小输入力与较大输出力的转换。第二个是帕斯卡定律，它主要说的是在不可压缩的静止流体中，如果任意一点受到压强，那么此压强会瞬时传至静止流体的各个点。千斤顶中2-泵缸受到外界施加的压强，使得系统内部产生一个压强增量，同时11-液压缸的主活塞也会受到一个相同大小的压强增量。根据力与压强的关系：可知，由于主活塞的面积大于泵缸活塞的面积，其受到的向上的力也要大于泵缸活塞施加的向下的力，进而实现力的放大。
by Sid
Q.E.D.

Q4

人体含有那么多元素，为什么人火化时火焰不是五颜六色的？

by chenchen

答：
燃烧的火焰颜色可以由两种不同的机理解释，第一种是黑体辐射，随着温度的不同物体发出光的颜色也不同，从低温到高温呈现红-橙红-黄-黄白-白-蓝白的渐变颜色，这种机理所导致的火焰颜色大都是黄色和红色；第二种是电子辐射跃迁，比如常见的焰色反应中不同的金属元素在高温下会发出五颜六色的光，钠是黄色、钾是浅紫色、钙是砖红色等等。
人体中虽然有很多元素，但占比较多的只有几种常见元素。对于一些像C、N、O、F的非金属元素来说，由于核外电子跃迁需要吸收较高的能量，在火焰中不易被激发，而且非金属元素激发态原子的电子跃迁所产生的波长大多在200nm以下，位于远紫外区，所以这些元素的焰色反应通常是无法被人眼观察的。
人体火化的温度通常在1000摄氏度以下，此时第一种机理占主导，火焰呈现红色或者橙红色。当然也可能会有一些金属元素或者自由基的焰色反应出现，但由于其现象不明显所以很难被观察到。实际上整个焚烧过程是极其复杂的，胆子大的同学可以深入探究（本人表示战术性后退）。
参考资料：
多彩火焰颜色的奥秘 - 磷酸君Phosphates的文章 - 知乎
人体的化学成分~知多少 - Dexchem的文章 - 知乎
陈晓峰，吴勇，浅析焰色反应[J]. 大学化学, 2013(05):79-83.
by Sid
Q.E.D.

Q5

混沌摆是什么原理（物理所直播时桌子上摆的）？

by 初中生小陈

答：
混沌摆就是具有无规律运动特点的摆，能够展现混沌现象。其实除了单摆的轨迹可预测外，双摆及以上的轨迹就不可预测即可以称为混沌摆了。
混沌现象的关键是体系存在非线性项。笔者在讲座中听到郑志明院士的一种直观解释:“线性是局部等于整体，非线性就是局部无法代表整体。”把整体分割成很多小份，求解小份之后累加回整体的思想有着广泛的应用，这是我们人类理解世界的一种简易范式，然而非线性项却不能这样做，因此一般只能用各种逼近手段近似而无法求出解析解。
市面上的混沌摆通常做成T字形，运动更加复杂。像物理所直播间的摆件那种就是在每个摆锤棒的黄金分割点打孔组装，是为了更有美感。其次，制造商通常在底座加入电磁感应线圈，在摆锤中嵌入磁铁，通电后使得混沌摆能够更长时间运动，有的网上打出永动机混沌摆的称号是不正确的。
因此如果想要DIY的话只需制作一个至少是双摆的摆就可以啦，不过最好是在每个摆锤中嵌入磁铁并注意润滑，否则在重力作用下太快停止的话混沌现象就不明显了。
如果想看动画的小伙伴可以移步中二所b站"[海拉鲁物理小课堂]蝴蝶效应背后的秘密”。
by opzk
Q.E.D.

Q6

为什么气压越低，水的沸点越低？

by 六分仪

答：
沸点是液体沸腾的温度，沸腾是液体内部和表面同时发生剧烈的汽化的现象，因此不仅液体表面的分子要离开液体，液体内部气泡中的分子也要离开液体，进入空气中。要达到沸腾的效果，液体的内部要产生大量液体汽化的气泡，并且气泡还能够维持并继续长大，因此气泡内的蒸汽压必须能够和外界压强的平衡。要达到这一点就要保证气泡内是饱和蒸气压，如果不饱和，那么气泡内液体汽化的分子数密度会降低，无法维持气泡内稳定的压强。
因此当外界气压较低时，所要达到的饱和蒸汽压就越低。饱和蒸汽压指密闭条件下水的气相与液相达到平衡时的水蒸气压力，该压力数值与对应的温度有关。温度越低，液体输入的能量越少，分子运动越平缓，达到的压强越小。综上，气压越低，水的沸点越低。
by 小线
Q.E.D.

Q7

一直不太理解：量子学中的“观测”是怎么定义的？比方说一个人或仪器对量子进行观测算观测，那一只小白鼠或一个木块放在量子附近算观测吗？

by 一名初三学生

答：
观测这个概念本身其实是一脉相承的，无论是微观还是宏观，都是希望获得观测对象的状态信息。要观测一个对象，必须让它和某种外界影响相互作用，因此观测伴随着对观测对象的某种干扰。宏观上，这个扰动往往是可以忽略的。但观测能力的精确程度是有限度的，这是由事物本质决定的，无法通过提高观测技术来改变，在微观上我们需要引入量子力学的理论来解释。
用量子力学理论的语言来描述，进行某种观测，就是测量了量子系统的力学量。对处于某一具体波函数的微观粒子进行测量，将力学量算符作用在波函数上，如果原始波函数处于该力学量算符的本征态，那么可以得到该力学量的值。如果初始量子状态处于本征态的叠加态，由于测量，原状态概率性地塌缩到某一具有确定本征值的本征态。所以测量往往会干扰原始状态，从多个状态的叠加变为该力学量算符的单一本征态，例如测量出一个微观粒子的具体位置。
在具体的实验上，无论是人、仪器、小白鼠或木块，只要和量子系统相互作用从而获得信息，都算一种测量。量子观量涉及到了宏观测量仪器和微观对象的相互作用，通常被描述为波函数塌缩为某一单一的态。举个例子，比如一块接收板接收到了一个电子，那么我们可以获得电子的位置信息。
by 小线
Q.E.D.

Q8

导致细胞分裂的机制是什么？是什么临界点触发了细胞分裂行为？

by 匿名

答：
控制细胞分裂的原理非常复杂且精确，而且到目前仍然没有完全搞明白。我们知道一般有丝分裂的细胞在生长到体积翻倍时进行分裂，笼统地讲，这个过程是在一些受调控的特定基因的表达，以及基因编码的各种负责调控细胞分裂的蛋白质(包括各种蛋白依赖性激酶、周期蛋白、黏连蛋白等)参与下完成的，还与染色质相互作用、细胞骨架交互密切相关。这个过程涉及成千上万种生化分子的相互作用。实际上在这些机制调控下，细胞分裂中所有过程或步骤都是有序发生的，并且细胞知道何时进行以及何时等待或者停止细胞分裂。
至于分裂行为的触发机制，如果只考虑有丝分裂中的染色体分离，细胞分裂受一些检查点控制。我们高中生物就学过的细胞周期，包含间期（G1,S,G2）和细胞分裂期（M），如下图所示。具体到在图中标识的G2 检查点，在这个检查点细胞会确保所有染色体都已准确复制，并且复制的染色体在细胞进入有丝分裂之前没有受损。如果不满足某些条件， G2 检查点会阻止细胞进入有丝分裂期，如果损伤无法修复，则细胞会发生凋亡。如果检查到 DNA 已正确复制，细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK) 会发出有丝分裂细胞分裂开始的信号，之后细胞就会进入分裂期。
by Childe
Q.E.D.