物理直覺的建立與更新——從神舟七號出艙活動說起
你的直覺首先告訴你它是什麼？圖片來自mesosyn.com
編者按：
很多人表示，「我相信自己的直覺」，但是它能否總能引導你走上正確的道路，答案是否定的。對於學習物理的人來說，僅靠背公式或定律，是很難深入下去，大多人需要建立相應的直覺，而這種直覺又是從自然現象及實驗現象觀察得來。然而直覺也是需要時時修正與更新，閱讀、學習科普知識，以及勤于思考來實現，能夠讓我們看到表象背後真實的原理。
撰文 | 吳進遠（美國費米國家加速器實驗室）
責編 | 葉水送、陳曉雪
北京時間10月17日7點30分，神舟十一號按計劃將航天員景海鵬和陳冬送到天宮，今年中秋之夜，中國天宮二號空間實驗室成功發射。事實上，每次的航天工程不僅為中國的航天科研事業積累了豐碩的成果與經驗，而且對公眾也是一個極好的科學普及教材。本文從神舟七號出艙談起，揭示物理學領域那些我們熟知，但很可能是「錯誤」的直覺。
在中國的航天工程中，給筆者印象最深的是神舟七號的出艙活動，直播的畫面中呈現了許多有趣的真空科學現象，當時筆者還是在玻璃殼顯像管的電視機上看的這一直播。下面是神舟七號出艙活動的情況。希望大家注意觀察翟志鋼打開軌道艙艙門的過程。
航天員翟志鋼出艙的一瞬間
關於真空現象的直覺，你的是對的嗎？
航天員翟志鋼打開艙門的過程中用了很大力量。實際上艙門在翟志鋼打開一個小角度之後，隨後又自己關了回去。
開艙門費力，好像不難理解。根據後來的報道，開艙門時，艙內殘餘壓強還有1000Pa，大約是大氣壓的1%左右，如果艙門直徑0.5米，即面積約0.2平方米，則艙門受到的總壓力為200牛頓，相當於20公斤重。在失重條件下，航天員不便用力，這20公斤的力是不小的。
比較難理解的是開艙門後，艙門會自己關閉這個現象。大家都會認為艙門打開之後，艙內的氣體應該一下就排出去了，既然內外壓強平衡了，怎麼還會有那麼一個神奇的力，讓艙門自己關上呢？
當軌道艙內外聯通之後，艙內殘餘的氣體的確會排出去，艙內與外界環境的壓強最終也會達到平衡，只不過在接近真空的情況下，這個過程相當長。我們從視頻中，甚至可以看到，艙門全部打開幾分鐘後，仍然有些類似雪花的白色物體從軌道艙內飛出。
這與我們很多人的直覺不相符合，然而，眼見為實，當我們的主觀直覺無法與客觀現象吻合時，需要修正更新的則是我們的直覺。
我們對於壓強平衡的直覺大多都來自在一個大氣壓下，比如擰開一個罐頭瓶，外面的空氣「嗤」的一聲，就進到瓶子里了，這是空氣進入一個容器的例子。空氣從容器中排出的例子也很常見，比如當我們拔開自行車內胎的氣門芯，車胎里的空氣會很快噴出來，也是「嗤」的一聲，時間也在半秒量級。
然而，當一個容器與真空環境聯通時，微小壓強的平衡過程則要慢得多。當然在一個大氣壓下，也存在一些很慢的微小壓強差平衡過程。不過這種微小的壓強差在一個大氣壓下不容易注意到，而在接近真空的狀態下則比較顯著。
我們在學習真空技術中，無數次學到這樣一個原理：真空環境或真空泵等裝備並不會把一個容器內氣體的分子「抽」走，這些氣體分子是自己運動到低壓強區域而不再回到容器中，才使得容器中氣體分子減少的。然而，在一個大氣壓附近，我們卻完全可以接受和使用，例如「倒抽一口冷氣」這樣的詞語。我們甚至還可以使用「負壓」這樣的概念。
如果您的研究生設計了如下圖這樣的真空裝備，請立即提醒他（她）修改，免得實驗失敗耽誤畢業。
這個裝備有兩個空腔（A）和（B），中間有一根細長的管子連接起來，兩個空腔都需要高真空。但為了節約成本，只有空腔（A）連接了真空泵（P）。您學生的直覺是既然兩個空腔是通過細管連接的，它們內的壓強應該是平衡的。而您應該讓他（她）計算一下，要實現這個平衡，在空腔B達到要求的真空度，需要多少時間？在他（她）畢業前有望達到嗎？
物理直覺的建立與更新
學習物理很少有人能夠僅靠背公式或定律深入下去，大多需要建立相應的直覺，而這種直覺大多是對自然現象及實驗現象觀察得來的。在物理學中，把實驗僅僅看成是驗證理論的一種手段是對實驗的重要性的嚴重低估。事實上，實驗現象以及由此建立起來的直覺，是物理學繼續前進與發展的重要支點。
在一定的理論與實驗證據的支持下，人們建立了某種直覺。然而，當人們進一步探索建立了新的理論，找到新的實驗證據後，這種直覺也應該做相應的補充修正與更新。
前面談到的對壓強平衡過程的直覺，就是這樣建立而又更新的例子。
另一個經典的例子是對重力加速度的認識，人們歷史上包括我們自己小時候，通過觀察，知道石頭降落得快，紙片降落得慢，由此形成一種直覺。這種直覺本身並沒有錯，錯的是把它做了無限推廣，以為重力加速度與質量有關。
傳說中比薩斜塔上落下的兩個球，雖然邏輯上不足以證實重力加速度與質量無關（或者說得更高大上一點，引力質量與慣性質量等效），但已經足夠證偽原來以為重力加速度與質量有關的誤解。由此，我們修正更新了原有的直覺。在我們新的直覺中，兩塊不同質量的石頭如果同時放下，它們會同時落地。
筆者曾做過這個實驗，實驗過程的視頻截圖見下圖。當然，實驗中筆者的左手和右手放開石頭的時刻導致的誤差，可能使得落下時間不完全相同，由此導致兩塊石頭之間的相對距離逐漸增加。
大小兩塊不同的石頭，同時自由落體實驗
約瑟夫·約翰·湯姆森（Joseph John Thomson）發現電子後，需要對原子有一個新的直覺，於是就有了李子布丁模型，見下圖。有的物理老師給這個模型起外號稱為「棗糕模型」。其實這倒也沒什麼不妥，畢竟很多同學，包括筆者在內，只見過棗糕，沒見過李子布丁。
這個模型把電子看做李子（棗），鑲嵌在帶正電荷，質量又很大的一團類似發麵的物質當中。對於原子的這個直覺我們不應說是全錯的，它的合理部分告訴我們原子中有電子，而且與帶正電的其它部分是以某種方式聯結成一體的。
後來的故事我們都知道，盧瑟福用阿爾法粒子去撞擊金箔，發現原子裡面相當空曠，而阿爾法粒子有時卻會出現很大角度的散射，甚至會像踢了鐵板一樣，原路反彈回來。
這就讓我們更新了我們對原子結構的直覺：原子的大部分質量都集中在原子核上，而原子核在我們常見的物質中，分布得非常稀疏，像荒原上幾公里才有一顆樹那樣。
當u和d夸克被發現後，我們對質子或中子的直覺似乎也像一個棗糕，有3顆棗（夸克）的棗糕。u和d夸克本身質量很小，3個湊到一起遠遠不夠質子或中子的質量。剩下大部分的質量來自夸克之間相互作用中對應的能量。所以我們無法把質子或中子想像成由3個清清爽爽的夸克小球構成的，這些夸克實際上是拖泥帶水地攪合在一起的。
此外，把質子或中子想像成蒸熟的、大小固定的棗糕也不正確，夸克在質子或中子不斷運動。因此整個質子或中子的大小不是固定的，它們隨著時間不斷地變化著，有時候比較大，而有時候，則會縮得很小。
現在，大家對於質子或中子以及其中的夸克有什麼直覺呢？變形棗糕？不過有的讀者會問，這種直覺有實驗證據嗎？有的，筆者的博士論文就是在觀察與測定這種現象的一個實驗上完成的。我們知道，一個正常大小的質子打到一個原子核，多半會把原子核打爛。如上圖。然而非常偶然地，會有一些質子正好變小，鑽進原子核，把其中一個也正好變小的質子撞出來，而原子核的其它部分完好無損。如下圖。
這種現象叫色穿透性（Color Transparency）。其中的色字，是從量子色動力學（QCD）來的，是指這種由於夸克運動造成質子散射截面隨時間的變化本身是一個量子色動力學現象。
物理直覺的更新是個終生的工作
大部分物理直覺是我們上學的時候建立的，不過我們上學時很多直覺到現在可能需要修正與更新，因此物理直覺的更新是個終生的工作。這種更新可通過多閱讀學習科普知識，勤于思考來實現。而閱讀、學習科普知識也包括看航天工程的直播，就像筆者從神七直播中更新了對真空現象的直覺。
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