景區裏手摩擦噴水的水盆，就是量子力學的樣子 | 科學DIY_風聞

【本文由公眾號“把科學帶回家”提供，ID：steamforkids】

我們在景區常常可以看到這樣一種玩具，只要用手摩擦兩端，它就會發出嗡嗡的聲音，裏面的水還會開始跳舞。這個玩具叫做龍洗。實際上，龍洗中跳躍的水珠非常好玩，而且利用和龍洗類似的原理，我們還可以觀察量子力學的世界呢。

關鍵概念

法拉第波

材料和操作

揚聲器一個

底部扁平的盤子

針管

洗潔精

水

操作很簡單：

1 把盤子放到揚聲器上面，倒入水。

2 打開揚聲器，放出聲音。調整聲音的頻率，觀察水面的圖案。

3 在針管裏倒入混有洗潔精的水，然後用針管在盤子裏滴入液滴，觀察新加入的液滴會不會和盤子裏的水融合。

你也可以嘗試滴入其他液體，比如啤酒等表面張力不同的液體，看看會發生什麼事。

這是滴入咖啡後發生的情況——

你可以讓揚聲器發出各種頻率的聲音，看看液滴是否會形成。

@nighthawkinlight

原理

實際上，液滴和水面融合的過程叫做聚並（coalescence）。我們的實驗裏，液滴沒有和下面的水面聚並，正是因為水面的振動。

@Roberto Zenit

物理學家們發現，如果讓液體表面產生振動，那麼新來的液體就可以無限期在表面遊蕩而不聚並。

即使加入更多的液滴，它們會像大珠小珠一樣漂浮在水面上。

當然，這種情況不會一直持續下去，如果液滴的數量太多，那麼最終就會發生聚並。

如果在液體表面施加垂直的正弦波，那麼液麪就會出現特殊的紋理——法拉第波（Faraday waves）。法拉第波是一種駐波（不會傳播的合成波），是法拉第在1831年發現的。

用玉米麪粉做的法拉第波

@richmond sio

這就是我們在景區觀察到的讓水滴跳舞的龍洗，還有寺廟裏的磬的原理了。

龍洗的法拉第波

磬的法拉第波

對了，短吻鱷也是用法拉第波來呼喚配偶的。它們在水底下嚎的時候，水面就可以看到法拉第波。

而發生法拉第波的時候，不會聚並的液滴的體積特別大。看，你能相信這些果凍一樣的珠子都是水嗎——

如果讓水面停止振動，那麼液滴就會聚並。

法拉第波的故事到這裏遠沒有結束。2005年時，巴黎第七大學的物理學教授 Yves Couder 發現，法拉第波可以很好地展現令人費解的量子力學的世界。

@Le projet Lutétium

看，這是硅油在產生了垂直的正弦波的液麪上的情形。Couder 發現，可以用這個方法讓硅油液滴振動幾天都不會停下來和下面的液麪聚並。

@Le projet Lutétium

更有意思的是，Couder 發現，產生法拉第波時，在液麪表面彈跳液滴的行為符合量子力學的描述，會隨機遊走。此外，液體附近的波還會引導液滴的運動，類似於德布羅意提出的導航波。

硅油液滴附近的波類似於導航波，使液滴相互排斥或吸引。

@Le projet Lutétium

這些液體附近的場還會記錄它們的行動軌跡。這些行為都符合量子力學的描述。

許多硅油液滴可以形成類似於晶體的結構。

@Le projet Lutétium

更有意思的是，此時彈跳的液滴還表現出了波粒二象性。

Couder 甚至用這種彈跳液滴複製了最讓物理學家抓狂的實驗之一，被費曼稱為“包含了量子力學唯一的奧秘”的雙縫實驗。

Couder用硅油液滴做的雙縫實驗

@Le projet Lutétium

雙縫實驗證明了光的波粒二象性，而在法拉第波上彈跳的液滴，或許就是具有波粒二象性的光子的最好比喻。

尿尿的時候記得多抖抖，就可以看到量子的世界了哦！