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本文经授权转载自微信大众号「新原理研讨所」（ID：newprincipia）

在物理学中，存在着许多令人惊奇的效应，有的就产生在日常日子中，有的则产生在悠远的深空，有的在多年之后总算被验证，有的则仍然停留在理论层面。下面，咱们将从最了解的效应开端，一向畅游到世界深处……

多普勒效应 无论是在地球上，仍是在整个世界中，多普勒效应无处不在。一辆正在鸣笛驶来的轿车，从它向咱们挨近到离咱们远去，鸣笛的腔调会产生改动，这是日子中最常见的多普勒效应。

更详细的说，当声源（或光源）相关于观测者移动时，观测者所接收到声波（或光波）的频率会产生改动。当源朝着接收方移动时，源的波长会变短，频率变高；假如源的移动方向是离接收方远去，那么波长会变长，频率下降。

多普勒效应在天体物理学中的使用更为明显，天文学家能够依据“红移”和“蓝移”来判别一个天体是在离咱们远去仍是向咱们挨近。不同光波的频率对应不同的色彩，向咱们挨近的天体，光波会向蓝光偏移，而远离咱们的天体光波会向红光偏移。从勘探恒星或星系挨近或远离咱们的速度，到发现系外行星的存在，多普勒效应都扮演着重要的人物。

蝴蝶效应 一只在亚马逊河流域的蝴蝶挥动翅膀，引发了美国得克萨斯州的反常龙卷风……这个耳熟能详的故事，实际上描绘的是在一个杂乱体系的状况上呈现的细小改动，能够在不久之后导致剧烈的改动。这样一种现象被称为蝴蝶效应。

当气象学家罗伦兹（Edward Lorenz）在谈到蝴蝶效应时，他实际上想要表达的是“混沌”这一概念。在混沌体系中，一个细小的调整就或许产生一系列的连锁效应，然后彻底地改动终究成果。

关于混沌的最令人惊奇的工作之一，或许便是物理学家用了很长时刻才意识到它的普遍性，而这种历史性的空白之所以存在，部分原因在于混沌体系很难剖析。关于某些非线性体系来说，哪怕咱们能以恣意精度丈量出最细小的扰动，也只能对其在有限时刻内作出猜测。

这种混沌效应简直呈现在各种物理体系中。比如从量子水平上看，黑洞也会体现出相似的混沌行为。关于黑洞来说，哪怕是呈现将一个粒子扔进这个深渊这样的细小改动，也或许彻底改动黑洞的行为办法。

迈斯纳效应 当一种资料从一般状况相变至超导态时，会对磁场产生排挤现象，这种现象被称为迈斯纳效应。1933年，迈斯纳（Walther Meissner）和他的博士后奥切森菲尔德（Robert Ochsenfeld）在对被冷却到超导态的锡和铅进行磁场散布丈量时发现了这种效应（因而它也被称为迈斯纳-奥切森菲尔德效应）。当把超导资料放入磁场中时，超导体内部的磁通量会被立刻“清空”。这是由于磁场会使得超导体外表呈现超导电流，该超导电流又反过来在超导体内产生与外磁场巨细持平、方向相反的磁场，两个磁场彼此抵消，使超导体内构成恒定为零的磁感应强度。因而从外部看起来，就像是超导体排空了体内的磁感线相同。

当把超导资料放在磁铁上时，只需这个磁体的磁场强度不超越特定极限，超导体便能够悬浮在磁体上方。这是由于迈斯纳效应让磁场产生畸变，产生了一个向上的力。

假如磁场的强度持续添加，超导体就会失掉超导性，这类具有迈斯纳效应的超导体被称为I型超导体，它们都是金属超导体。还有一些超导体不具有或许只具有部分迈斯纳效应，它们被称为II型超导体，通常是各种由非金属和金属构成的合金资料，这类超导体在强磁场下也能坚持超导功能。

阿哈罗诺夫—玻姆效应 这是物理学中一个不太为人所知却含义严重的效应。

在经典电磁学中，只要在粒子直接与电磁场触摸了的状况下，粒子才会受参与的影响。但在1959年，阿哈罗诺夫）Yakir Aharonov）和玻姆（David Bohm）两位理论物理学家提出，量子粒子就算从未直接与一个电场或磁场触摸，也能遭到这个电场或磁场的影响。在提出之后，这一观念遭到了广泛的质疑。经典电磁学中的电场和磁场是担任一切物理效应的根本实体，电磁场能够用一个被称为电磁势的量来标明，这个量在空间的任何地方都有一个值。从电磁势能够轻易地推导出电磁场。但电磁势的概念曾一向被以为仅仅一个朴实的数学概念，不具有任何物理含义。

可是1959年，阿哈罗诺夫和玻姆提出了一个“思维试验”，将电磁势与可丈量的成果联系了起来。在这个思维试验中，一束电子被分红两条途径，别离绕着一个圆柱形电磁铁（或螺线圈）的两边运动，磁场会集在线圈内部，并且磁场巨细能够被调理的极弱。因而这两条电子途径能够穿过一个根本没有场存在的区域，但这个没有场的区域的电磁势并不为零。

阿哈罗诺夫和玻姆从理论上证明了这两条不同途径上的电子会阅历不同的相位改动，当这两条途径上的电子再从头结合时，能够产生可被检测到的干与效应。阿哈罗诺夫-玻姆效应描绘的便是量子粒子会遭到的这种可被丈量的经典电磁势的影响，标明电磁势不只仅是一种数学辅佐，而是实在的物理存在。

现在，物理学家现已通过一系列试验观测到了阿哈罗诺夫-玻姆效应。

网球拍效应 网球拍效应描绘的是当把一个网球拍的一面朝上，旋转着将它抛向空中，接着球拍会绕着一个轴旋转的状况。当让球拍绕着横轴旋转时，会呈现一种令人惊奇的效应：球拍除了会绕着横轴进行360度的旋转之外，简直总是会出其不意地绕纵轴进行180度的翻转。

这种效应是由在投掷过程中产生的细小误差和扰动，以及三维刚体在三个不同的惯性矩下运动形成的。假如一个刚性物体有三个旋转轴“1”、“2”、“3”，也便是说它具有三种不同的旋转办法，其间轴1的长度最短，轴3的长度最长，那么物体绕着轴1和轴3的旋转最安稳，而绕着中心轴轴2则不安稳。这种古怪的效应是经典力学的成果，咱们能够通过欧拉方程计算出这种效应。视频来历：Plasma Ben / Youtube

在空中旋转的网球拍是这个效应的一个典型比如，这个效应也因而得名。它也被称为Dzhanibekov效应，以俄罗斯宇航员Vladimir Dzhanibekov的姓名命名。1985年，Dzhanibekov在太空中发现了这个效应。

这个效应适用于一切轴1小于轴2，轴2小于轴3的三维刚体，即便中心轴的长度与轴3或许十分挨近，也会呈现这种绕着最长和最短的轴旋转安稳；而绕着中心轴的运动则会呈现即便在最小的搅扰下，也会引发的180度翻转现象。

光电效应 当光照射在金属外表时，它会将围绕着原子核旋转的电子“踢”出来，这便是闻名的光电效应。可是要让这一切产生，光的频率有必要高于某个阈值——这个值的巨细取决于资料。假如频率低于阈值，那么不管光的强度有多大，都无法将电子踢出。

1905年，为了解说光电效应，爱因斯坦（Albert Einstein）提出了光实际上是由量子——即光子构成的，而光子的能量正比于频率。爱因斯坦也因提出光电效应而在1922年被颁发诺贝尔物理学奖。

光电效应十分重要，它不只是光合作用的根底，一起也是现代许多电子设备，如光电二极管、光导纤维、电信网络、太阳能电池等等的理论根底。

霍尔效应 1879年，年仅24岁的霍尔（Edwin Hall）发现了一个奇特的现象。他注意到，假如将一个有电流流过的金属片放到磁场中，让磁感线以笔直的视点穿过金属片的外表，那么在既笔直于磁场又笔直于电流的方向上就会产生一个电势差，这种现象便是霍尔效应。它之所以产生，是由于带电粒子在磁场中会遭到洛伦兹力的影响，使其运动方向产生偏转。

霍尔的试验是在室温下以及中等强度的磁场（小于1T）下进行的。到了20世纪70年代末，研讨人员开端使用半导体资料，在低温（挨近绝对零度）和强磁场（约30T）的条件下，研讨霍尔效应。在低温半导体资猜中，电子具有很强的流动性，但它们只能在一个二维平面中运动。这种几许上的约束导致了许多意想不到的影响，其间一个便是改动了霍尔效应的特征，这种改动能够通过丈量霍尔电阻随磁场强度的改动而观察到。

1980年，德国物理学家冯·克利青（Klaus von Klitzing）在相似的试验条件下发现，霍尔电阻随磁场强度的改动不是线性的，而是呈阶梯式的。阶梯呈现的方位与资料特点无关，而是与一些根本物理常数除以一个整数有关。这便是整数量子霍尔效应，是整个凝聚态物理范畴最重要、最根本的量子效应之一。这一发现也为冯·克利青在1985年赢得了诺贝尔物理学奖。

在对量子霍尔效应的后续研讨中，研讨人员又惊喜地发现了霍尔电阻的一个新阶梯，比冯·克利青发现的最高电阻高三倍。随后，研讨人员发现了越来越多这样的新阶梯，一切新台阶的高度都能用曾经的常数标明，但需求它们除以不同的分数。正是由于这个原因，新的发现被命名为分数量子霍尔效应。

量子隧穿效应 在日常日子中，假如咱们把一颗大理石放入一个密封的盒子中，大理石显然是不或许从盒子逃出来的。但当咱们把大理石变成一个量子粒子，把盒子换成量子盒子时，粒子是由必定概率能够逃出来的，这个现象被称为量子隧穿效应。

这儿咱们所说的困住的粒子的量子盒子，实际上是指能量势垒。量子隧穿之所以或许产生，是由于电子具有波的特性。量子力学为每一个粒子都赋予了波的特性，并且波穿透阻碍的概率总是有限的。

尽管这听起来有悖于直觉，但的确实在存在的效应。你或许听说过，太阳宣布的光要通过8分钟才抵达地球。可是，假如没有量子隧穿效应，太阳永久不会宣布这些光子。在恒星中的这种氢聚变中，两个质子都带正电，会彼此排挤。斥力会阻碍这两个粒子在太阳核心中因过于挨近而产生聚变，可是量子隧穿却让这些粒子能够“穿过”屏障，让聚变产生。

卡西米尔效应 这是一个标明“真空”不“空”的效应。

咱们都知道，一个带正电和一个带负电的金属板假如靠得很近，那么它们之间就会存在彼此招引的力。但假如这两块金属板不带电呢？物理学家发现，在真空中它们也会彼此招引。这便是卡西米尔效应。

1948年，卡西米尔（Hendrik Casimir）预言真空中两个不带电荷的金属板会由于电磁场的量子涨落的影响而遭到招引力，力的巨细随金属板间隔的四次方成反比。之所以有这种力存在，是由于金属板之间充满了包括能量的电磁波，当它们彼此挨近时，真空中的一些波会逐步被揉捏出去，使得周围空间的能量高于金属板之间的能量，推进它们持续挨近，然后体现得像是存在一种招引力。

卡西米尔效应预言的招引力十分弱小，以至于大部分状况下都能够忽略不计。直到1997年，物理学家们才有满足准确的手法能直接证明卡西米尔效应的存在。

在卡西米尔效应被提出不久就有物理学家开端考虑是否能够反转卡西米尔效应——将招引力转化成排挤力。2010年有科学家提出应该存在能让招引力和排挤力彼此抵消的办法，然后在两个外表之间树立一种平衡态。2019年，加州大学伯克利分校的张翔教授和他的团队做到了这一点。

霍金效应 黑洞，是世界中最奥秘的天体，它的引力是如此之强，以至于任何东西一旦进入了它的视界就再也无法逃脱。近年来，科学家不只勘探到了黑洞兼并辐射出的引力波，也“拍”下了黑洞的第一张图画。

在20世纪70年代初，霍金（Stephen Hawking）发现了黑洞最美妙的效应。他证明了黑洞是具有温度的，并指出黑洞开释的热辐射的温度与黑洞的质量成反比。这是他最闻名的科学成果：霍金辐射。

依据量子场论，所谓的真空并不是彻底空的，而是充满了量子涨落——虚粒子对会不断的冒出又湮灭。当这些虚粒子对呈现在黑洞的工作视界邻近时，虚粒子对中的其间一个会被黑洞捕获，另一个则会逃逸。落入黑洞的粒子有必要具有负能量，这样才干坚持总能量不变。而关于外部的观测者而言，黑洞刚刚发射了一个粒子。

可是，想要企图丈量这种效应是一件十分难的工作，由于霍金辐射十分弱小，很简单被浸透在整个世界中的世界微波布景辐彻底抹去。

文：二宗主

图：岳岳

参阅来历：

[1] backreaction.blogspot/2020/02/the-10-most-important-physics-effects.html

[2] sciencenews/article/douglas-stanford-sn-10-scientists-watch

[3] ias.edu/ideas/2017/stanford-black-holes-butterfly-effect

[4] nobelprize/nobel_prizes/physics/laureates/2003/popular.html

[5] news.mit.edu/2019/aharonov-bohm-effect-physics-observed-0905

[6] physics.aps/story/v28/st4

[7] phys/news/2017-07-quantum-world-tennis-racket.html

[8] sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/tennis-racquet-flip

[9] nobelprize/prizes/physics/1921/einstein/facts/

[10] nobelprize/prizes/physics/1998/press-release/

[11] discovermagazine/2018/nov/your-daily-dose-of-quantum?es_ad=122882&es_sh=9c625adbb2227d8a9fe6f4c50d342594

[12] archive.briankoberlein/2014/03/30/memory-hole/

[13] journals.aps/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.99.125403

[14] nature/articles/d41586-019-03729-4

[15] nautil.us/issue/69/patterns/how-to-get-close-to-a-black-hole

原标题：十大物理学效应

来历：新原理研讨所

修改：米老猫