真空有多空？上帝会掷骰子吗？人们能够点石成金吗？为什么我们没有生活在一个量子世界？存在大爆炸吗？宇宙的年龄是多少？如何对过去的宇宙稍作了解？为什么爱因斯坦想要一个宇宙常数？为什么重力对我们很重要？是什么使时空弯曲？银河系中也存在黑洞吗？时间和空间在晃动吗？人们能消灭物质吗？如何给外星人解释何为左何为右？物理学美在何处？猫落地时为何总是四脚着地？为什么我们会越来越重？由格尔特-路德维希·因格尔德等编著的《了如指掌：物理问题如数家珍》将一一为你解答！

大约在19世纪末，人们就认为物理学的发展已基本走到尽头。这种观点在上个世纪被不断证明是错误的，物理学又经历了许多划时代的发展。

爱因斯坦曾告诫世人说：“重要的是不要停止提问。”

现代物理学引领我们进入了一个有别于日常经验的世界，带领我们认识微观世界、极速世界以及广阔的宇宙。这一探索之旅时常令我们目瞪口呆，因而颇具挑战性，但这也令它更加富有魅力。《了如指掌：物理问题如数家珍》试图通过对101个有趣的现代物理问题的回答，让读者对现代物理有所了解，进而热爱它。

《了如指掌：物理问题如数家珍》由格尔特-路德维希·因格尔德等编著。

基础知识

 物理学美在何处？

 猫落地时为何总是四脚着地？

 究竟什么是超大的？

 最冷会有多冷？

 为什么我们会越来越重？

 现代物理学有哪些标志？

 波有多长？

 花菜为什么是相似的？

量子物理学

 为什么要建立量子物理学？

 量子跃迁有多大？

 炉子能被加热吗？

 马克斯·普朗克在绝望中做了什么？

 真空有多空？

 真空中有作用力吗？

 爱因斯坦为什么获得诺贝尔奖？

 什么是干涉？

 为什么没有物质以规则轨道运动？

 上帝会掷骰子吗？

 我们能够证实原子的存在吗？

 人们能够点石成金吗？

 什么是隧道效应？

 有些粒子会自旋吗？

 核磁共振成像的基础是什么？

 伦琴射线是如何产生的？

 如何捕获原子？

 激光是如何工作的？

 可以用喷泉测量时间吗？

 为什么有些粒子更加合群？

 什么是玻色一爱因斯坦凝聚态？

 薛定谔的猫还活着吗？

 为什么我们没有生活在一个量子世界？

量子信息

 贝尔托曼的袜子是什么意思？

 在量子理论中存在克隆吗？

 量子计算机如何工作？

 人们能隐形传送量子吗？

 利用量子如何保守秘密？

应用固体物理学

 原子是如何结合在一起的？

 费米湖在哪儿？

 发光二极管是如何工作的？

 如何从太阳光中获得能源？

 如何使一种材料的电阻为零？

 如何使超导体悬浮起来？

 液体能沿着墙向上流吗？

 希腊人遭遇量子效应了吗？

 人们能够看见原子吗？

纳米物理学

 为什么地板上有很多空间？

 什么是量子点？

 欧姆定律在微观世界还有效吗？

 只有一个电子的电子学是什么样的？

 什么是纳米管？

 什么是NEMS和MEMS？

特殊相对论

 光一定要朝向电流流动吗？

 为什么有些粒子能存在更长时间？

 为什么双胞胎年龄不同？

 光子有多重？

 E=mc2是什么意思？

 什么是多普勒效应？

 超光速有可能吗？

 如何用光测量地球自转？

一般相对论

 为什么重力对我们很重要？

 宇航员为什么会漂浮？

 如何确定空间曲率？

 是什么使时空弯曲？

 什么是黑洞？

 银河系中也存在黑洞吗？

 时间和空间在晃动吗？

 光会落下来吗？

 一般相对论对GPS有何帮助？

 如何测量宇宙膨胀？

 人们会把一个恒星看成两个吗？

粒子物理

 人们在粒子物理乐园里会看见什么？

 人们能消灭物质吗？

 什么使世界结合起来？

 基本粒子之间如何联系？

 人们为什么总是要建造更大的加速器？

 基本粒子的标准模型是怎样的？

 如何给外星人解释何为左何为右？

 什么是夸克？

 夸克有颜色吗？

 夸克如何结合在一起？

 什么叫渐近自由？

 基本粒子如何获得质量？

 什么是大统一理论？

 什么是超对称伙伴？

宇宙学

 存在大爆炸吗？

 宇宙的年龄是多少？

 如何对过去的宇宙稍作了解？

 什么是背景辐射？

 为什么爱因斯坦想要一个宇宙常数？

 宇宙学原理是什么？

 宇宙由什么构成？

 存在其他的行星吗？

量子引力

 什么是普朗克单位？

 我们为什么需要量子引力？

 世界有几维？

 这个世界到处都是弦吗？

混沌

 物理学中有魔鬼吗？

 什么是混沌？

 如何到达混沌？

 什么是奇怪吸引子？

 英国海岸有多长？

电流能在超导体中完全零电阻流动，似乎这还不够惊人，超导还能够悬浮。此时人们利用了瓦尔特·迈斯纳(Walthel Meiβtier)和罗伯特·奥森菲尔德(Robert Ochsenfeld)首次观察到的效应，即超导体排斥体内的磁场。

要解释这一现象的机制，人们必须了解：电流会生成磁场，反过来，随时间而变化的磁场也会感应产生电流。比如变压器就是以这两个效应为基础的。

现在我们把一个零电阻的金属放入磁场中，在金属中就会感应产生电流，这个电流又会产生一个与外加磁场相反的磁场。这样，外加的磁场就无法进入金属内部。

超导体更进一步：它能够排斥体内的磁场。超导体在临界温度以上与普通金属一样，并且也有电阻。这时就可以给金属加上磁场，由于有电阻，刚开始感应产生的电流迅速减弱。冷却到临界温度以下后，超导材料发生反应并在表面形成电流，正是该电流将磁场排斥出超导体内。而在零电阻金属中.原先的磁场会冻结起来，并且不会被外界改变。因此超导体不仅仅是一个零电阻的金属。

然而如果磁场过强，就不再能把它从超导体内排出。这时磁场首先会一点点挤入超导体中被称作输流管道的晶格中，否则超导态就会被彻底破坏。

现在人们可以利用迈斯纳一奥森菲尔德效应让超导体悬浮起来。然后人们再把超导体放到一块磁铁上。超导体在磁铁上悬浮一段距离，而不会耗费许多能量生成反向磁场，这将更加节能。

43.液体能沿着墙向上流吗？

人们冷却液体到足够温度时，它通常会变成固态.例如水在零摄氏度以下就是这样。随着温度降低，原子或分子在液体中移动得越来越慢，对于它们来说，按规则的晶格排列会更加节约能量。根据这一原理，只要人们使温度足够临近绝对零度，那么所有物质都将变为固态。按照经典物理学，那时原子和分子都将处于静止状态。

事实上并非如此，因为即使在绝对零度下也还存在量子涨落。由于量子效应，稀有气体氨这种物质在常压下就无法变成固态。它在绝对零度以上4.2开氏度时仍然是液态的。如果人们继续冷却该液体，它仍不会凝固。而在大约2.2开氏度以下时，越来越大一部分会变成一种具有令人惊讶的特性的液体，即超流。

我们在日常生活中知道：液体都能不同程度地流动。例如蜂蜜和糖浆的黏性比水大得多，可以观察到蜂蜜或快或慢地从勺中流出。由于蜂蜜的黏性停留在勺的表面，因此其中的分子将做相对运动。这样在蜂蜜内部就会形成摩擦，而摩擦阻止了蜂蜜的运动。当人们让液体经过一根细管运动时，黏性表现得尤为明显。您可以尝试一下用稻草吸食蜂蜜。

在流动性方面，超流体氦与蜂蜜截然相反。与一般液体相反，超流体中没有内部摩擦，至少当它流动得足够缓慢时.没有摩擦。因此超流体氦甚至能够穿过一根非常细的毛细血管流动。由于没有黏性，只要它位于开口的容器中，为了平衡容器内外的液面水平，它甚至能沿着墙向上流动。如图23所示。左侧容器外的氨水平较高，因此氦就向容器内流动。相反在右侧，氦则从容器中流出，滴到较低的氦水平面上。

为了了解超流体的起源，我们要简单了解以下事实：即氦有两个稳定的同位素，氦-3和氦-4。氦-3中每个原子核只含有一个中子，而氦-4含有两个中子。相差一个中子也即相差一个带有1/2自旋的粒子，它使得其中一个同位素，氦-3是一个费米子，而氦-4则像玻色子一样运动↑28。我们上文谈到氦时都是指氦-4，因为在自然界中绝大部分的氦都是氦-4。

由于氦-4是一个玻色子，所以它会形成玻色一爱因斯坦凝聚态↑29。严格地说，还要考虑氦原子之间的相互作用。现在的问题是：是否存在一些过程会导致内部的摩擦，并导致液体的黏性。对于普通液体，甚至是很小的能量都能转移到液体的内部运动中。在玻色—爱因斯坦凝聚态中则不是这样。至少要激发声波才会导致摩擦，然而只有当超流体以足够快的速度流过墙壁时，它才会发出声波。P92-94

1955年春天，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Elnsteln)去世的时候，威廉·米勒(William Miller)在《生活》杂志上刊登了他在几个月前对这位伟大物理学家所作的采访。米勒的儿子当时也随同前往，爱因斯坦告诫他说：“重要的是不要停止提问。”(The important thing is not to stop questioning.)

我们也希望读者们带着这个建议踏上这101个问题之旅，我们的回答将使你们对现代物理学有所了解(本书原名《关于现代物理学的101个重要问题》——编者注)。这种了解当然不可能是详尽的，由于篇幅所限，我们不得不有所选择，并且还是一种主观的选择。有些问题至今还未得到解决，因此，长久以来，物理学家们也从未停止提问。

大约在19世纪末，人们就认为物理学的发展已基本走到尽头，只剩下少量的细节工作。虽然人们在伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)之后的三百年中获得了重大的成就，但是这种观点仍是十分错误的。在上个世纪最后二十五年中，物理学又经历了许多划时代的发展，我们可以说：“现代物理学”从这一刻就诞生了，这也正是本书涉及的内容。

现代物理学引领我们进入了一个有别于日常经验的世界，带领我们认识微观世界、极速世界以及广阔的宇宙。这一探索之旅时常令我们目瞪口呆，因而颇具挑战性.但这也令它更加富有魅力。

首先我们将讨论量子物理学，它研究的是微观世界。它打破了我们的一些根深蒂固的观念，例如物体按照一定轨道运动。但同时，我们日常生活中许多不可或缺的技术应用也正是构建于其基础之上的。我们将在《量子物理学》和《应用固体物理学》这两章中谈到其中的几个应用。《纳米物理学》和《量子信息》两章中的问题是指向未来的。尤其是后一章指出：我们在未来也许能够利用量子系统的一个非常特殊的性质，即量子纠缠(编者注：具有两个以上元素的复合系统，当其中一个的状态发生变化时，即使另一个远在另一颗行星之外，也能迅速发生相应变化)。