物理直觉的建立与更新——从神舟七号出舱活动说起

　　

　　

　　►你的直觉首先告诉你它是什么？

　　

　　编者按：

　　

　　很多人表示，“我相信自己的直觉”，但是它能否总能引导你走上正确的道路，答案是否定的。对于学习物理的人来说，仅靠背公式或定律，是很难深入下去，大多人需要建立相应的直觉，而这种直觉又是从自然现象及实验现象观察得来。然而直觉也是需要时时修正与更新，阅读、学习科普知识，以及勤于思考来实现，能够让我们看到表象背后真实的原理。

　　

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　　北京时间10月17日7点30分，神舟十一号按计划将航天员景海鹏和陈冬送到天宫，今年中秋之夜，中国天宫二号空间实验室成功发射。事实上，每次的航天工程不仅为中国的航天科研事业积累了丰硕的成果与经验，而且对公众也是一个极好的科学普及教材。本文从神舟七号出舱谈起，揭示物理学领域那些我们熟知，但很可能是“错误”的直觉。

　　

　　在中国的航天工程中，给笔者印象最深的是神舟七号的出舱活动，直播的画面中呈现了许多有趣的真空科学现象，当时笔者还是在玻璃壳显像管的电视机上看的这一直播。下面是神舟七号出舱活动的情况。希望大家注意观察翟志钢打开轨道舱舱门的过程。

　　

　　

　　

　　►航天员翟志钢出舱的一瞬间

　　

　　关于真空现象的直觉，你的是对的吗？

　　

　　航天员翟志钢打开舱门的过程中用了很大力量。实际上舱门在翟志钢打开一个小角度之后，随后又自己关了回去。

　　

　　开舱门费力，好像不难理解。根据后来的报道，开舱门时，舱内残余压强还有1000Pa，大约是大气压的1%左右，如果舱门直径0.5米，即面积约0.2平方米，则舱门受到的总压力为200牛顿，相当于20公斤重。在失重条件下，航天员不便用力，这20公斤的力是不小的。

　　

　　比较难理解的是开舱门后，舱门会自己关闭这个现象。大家都会认为舱门打开之后，舱内的气体应该一下就排出去了，既然内外压强平衡了，怎么还会有那么一个神奇的力，让舱门自己关上呢？

　　

　　当轨道舱内外联通之后，舱内残余的气体的确会排出去，舱内与外界环境的压强最终也会达到平衡，只不过在接近真空的情况下，这个过程相当长。我们从视频中，甚至可以看到，舱门全部打开几分钟后，仍然有些类似雪花的白色物体从轨道舱内飞出。

　　

　　这与我们很多人的直觉不相符合，然而，眼见为实，当我们的主观直觉无法与客观现象吻合时，需要修正更新的则是我们的直觉。

　　

　　我们对于压强平衡的直觉大多都来自在一个大气压下，比如拧开一个罐头瓶，外面的空气“嗤”的一声，就进到瓶子里了，这是空气进入一个容器的例子。空气从容器中排出的例子也很常见，比如当我们拔开自行车内胎的气门芯，车胎里的空气会很快喷出来，也是“嗤”的一声，时间也在半秒量级。

　　

　　然而，当一个容器与真空环境联通时，微小压强的平衡过程则要慢得多。当然在一个大气压下，也存在一些很慢的微小压强差平衡过程。不过这种微小的压强差在一个大气压下不容易注意到，而在接近真空的状态下则比较显著。

　　

　　我们在学习真空技术中，无数次学到这样一个原理：真空环境或真空泵等装备并不会把一个容器内气体的分子“抽”走，这些气体分子是自己运动到低压强区域而不再回到容器中，才使得容器中气体分子减少的。然而，在一个大气压附近，我们却完全可以接受和使用，例如“倒抽一口冷气”这样的词语。我们甚至还可以使用“负压”这样的概念。

　　

　　如果您的研究生设计了如下图这样的真空装备，请立即提醒他（她）修改，免得实验失败耽误毕业。

　　

　　

　　

　　这个装备有两个空腔（A）和（B），中间有一根细长的管子连接起来，两个空腔都需要高真空。但为了节约成本，只有空腔（A）连接了真空泵（P）。您学生的直觉是既然两个空腔是通过细管连接的，它们内的压强应该是平衡的。而您应该让他（她）计算一下，要实现这个平衡，在空腔B达到要求的真空度，需要多少时间？在他（她）毕业前有望达到吗？

　　

　　物理直觉的建立与更新

　　

　　学习物理很少有人能够仅靠背公式或定律深入下去，大多需要建立相应的直觉，而这种直觉大多是对自然现象及实验现象观察得来的。在物理学中，把实验仅仅看成是验证理论的一种手段是对实验的重要性的严重低估。事实上，实验现象以及由此建立起来的直觉，是物理学继续前进与发展的重要支点。

　　

　　在一定的理论与实验证据的支持下，人们建立了某种直觉。然而，当人们进一步探索建立了新的理论，找到新的实验证据后，这种直觉也应该做相应的补充修正与更新。

　　

　　前面谈到的对压强平衡过程的直觉，就是这样建立而又更新的例子。

　　

　　另一个经典的例子是对重力加速度的认识，人们历史上包括我们自己小时候，通过观察，知道石头降落得快，纸片降落得慢，由此形成一种直觉。这种直觉本身并没有错，错的是把它做了无限推广，以为重力加速度与质量有关。

　　

　　

　　

　　传说中比萨斜塔上落下的两个球，虽然逻辑上不足以证实重力加速度与质量无关（或者说得更高大上一点，引力质量与惯性质量等效），但已经足够证伪原来以为重力加速度与质量有关的误解。由此，我们修正更新了原有的直觉。在我们新的直觉中，两块不同质量的石头如果同时放下，它们会同时落地。

　　

　　笔者曾做过这个实验，实验过程的视频截图见下图。当然，实验中笔者的左手和右手放开石头的时刻导致的误差，可能使得落下时间不完全相同，由此导致两块石头之间的相对距离逐渐增加。

　　

　　

　　

　　►大小两块不同的石头，同时自由落体实验

　　

　　约瑟夫·约翰·汤姆森（Joseph John Thomson）发现电子后，需要对原子有一个新的直觉，于是就有了李子布丁模型，见下图。有的物理老师给这个模型起外号称为“枣糕模型”。其实这倒也没什么不妥，毕竟很多同学，包括笔者在内，只见过枣糕，没见过李子布丁。

　　

　　

　　

　　这个模型把电子看做李子（枣），镶嵌在带正电荷，质量又很大的一团类似发面的物质当中。对于原子的这个直觉我们不应说是全错的，它的合理部分告诉我们原子中有电子，而且与带正电的其它部分是以某种方式联结成一体的。

　　

　　后来的故事我们都知道，卢瑟福用阿尔法粒子去撞击金箔，发现原子里面相当空旷，而阿尔法粒子有时却会出现很大角度的散射，甚至会像踢了铁板一样，原路反弹回来。

　　

　　

　　

　　这就让我们更新了我们对原子结构的直觉：原子的大部分质量都集中在原子核上，而原子核在我们常见的物质中，分布得非常稀疏，像荒原上几公里才有一颗树那样。

　　

　　当u和d夸克被发现后，我们对质子或中子的直觉似乎也像一个枣糕，有3颗枣（夸克）的枣糕。u和d夸克本身质量很小，3个凑到一起远远不够质子或中子的质量。剩下大部分的质量来自夸克之间相互作用中对应的能量。所以我们无法把质子或中子想象成由3个清清爽爽的夸克小球构成的，这些夸克实际上是拖泥带水地搅合在一起的。

　　

　　此外，把质子或中子想象成蒸熟的、大小固定的枣糕也不正确，夸克在质子或中子不断运动。因此整个质子或中子的大小不是固定的，它们随着时间不断地变化着，有时候比较大，而有时候，则会缩得很小。

　　

　　

　　

　　现在，大家对于质子或中子以及其中的夸克有什么直觉呢？变形枣糕？不过有的读者会问，这种直觉有实验证据吗？有的，笔者的博士论文就是在观察与测定这种现象的一个实验上完成的。我们知道，一个正常大小的质子打到一个原子核，多半会把原子核打烂。如上图。然而非常偶然地，会有一些质子正好变小，钻进原子核，把其中一个也正好变小的质子撞出来，而原子核的其它部分完好无损。如下图。

　　

　　这种现象叫色穿透性（Color Transparency）。其中的色字，是从量子色动力学（QCD）来的，是指这种由于夸克运动造成质子散射截面随时间的变化本身是一个量子色动力学现象。

　　

　　物理直觉的更新是个终生的工作

　　

　　大部分物理直觉是我们上学的时候建立的，不过我们上学时很多直觉到现在可能需要修正与更新，因此物理直觉的更新是个终生的工作。这种更新可通过多阅读学习科普知识，勤于思考来实现。而阅读、学习科普知识也包括看航天工程的直播，就像笔者从神七直播中更新了对真空现象的直觉。