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有哪些看起来简单的物理现象需要用非常高深的物理理论来解释?

头图

可能很多人都想象不到,看上去简简单单的「光的折射」要用量子力学来解释。

折射是我们学习过的第一批光学现象,它看起来非常简单,光从一种介质射入另一种介质将会在界面处改变方向,折射率越大的介质,传播方向越靠近法线——我们还学习过一个定量计算的“斯涅尔定律” (Snell’s law),其中 n1 和 n2 是两种介质的折射率,θ1 和θ2 是入射光和折射光与法线的夹角。

如果你感兴趣,不妨计算一下,你会发现光只有走这条路径,从 A 到 B 的时间才最短——因此它符合一个更简单也更有意义的费马原理:在给定的两点之间有无穷多条路径,光只能沿着所需时间为驻点的路径传播。

所谓驻点,

1. 有可能是极小值——除了折射以外,平面镜上的反射也是这样:在所有可能的反射路径中,那条关于法线对称的路径最短。

2. 有可能是极大值,比如在球面镜内的反射:在所有可能的反射路径中,那条平分线通过球心的路径最长。

3. 还有可能是拐值,比如将平面镜和球面镜各取一半,从球面部分反射的路径都更短,从平面部分反射的路径都更长。

所以如果有一个奇形怪状的反射面,光就会根据具体情况,同时沿着几条驻点路径从 A 抵达 B。这看起来很容易理解,但稍一琢磨就会出现一个巨大的困惑:光又没有脑子,怎么能未卜先知,在出发之前就知道 B 点在哪,知道介质有多大的折射率,知道镜子是什么形状,作出这么复杂的“举动”?更何况光已经是宇宙中最快的,没有任何东西能给光源通风报信了。

对于这一现象,从不同的角度出发可以有不同的表述,下面介绍相当有趣的一种:光并不是只沿着驻点路径传播,而是同时沿着所有可能的路径传播,甚至包括了那些歪歪扭扭的曲线路径。但光会在这无穷多条可能的路径上自相干涉。

然而不同的位置上干涉的程度并不相同:在给定的两点之间,几乎所有的路径都因为相位差异而相互抵消了。

但是驻点能够成为驻点,就是因为不同路径的相位差异在这里最小,各路干涉不会完全抵消,而会留下完整的波动,所以对 B 点来说,就是光只能从驻点路径传过来。

打个比方,我们能够观察到的光的传播路径,是所有路径同时厮杀之后的结果,光最终以怎样的路径抵达终点,就取决于战场上有怎样的赢家。

这个理论不仅适用于光的传播路径,而且能够表述整个量子力学——它就是费曼提出的多重路径积分表述:量子的运动总是“未卜先知”地遵循某种特殊的路径,乃是因为这个路径是所有可能路径的累计结果,而不是有什么超距作用。

我们必须注意,这种表述虽然非常有效,但它与量子力学的所有表述一样,都不是现实本身,也不能区分哪个更正确,正如哥本哈根学派的那句名言:“先有自然才有人类,但是先有人类才有自然科学”——我们的一切知识都是关于现象的模型,而不是现象本身。

本回答所有截图和内容摘引自节目《光为什么这样传播? | 混乱博物馆》

光为什么这样传播 | 混乱博物馆 https://www.zhihu.com/video/1124015527731011584

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