量子力学,裤兜如此多娇

看穿一切可是很多人梦寐以求的技能,你一定深深地思考过,如何才能看穿世界,看穿宇宙。更重要的是,在一个阳光明媚的下午,面对自己喜欢的妹子或者汉子,如何才能看穿那破坏了人与人之间信任的衣服呢?

图片 1图片来源:Takashi Hososhima/Flickr

图片 2先说在前面,我手里拿的不是iPhone 6 Plus,身上穿的也不是紧身牛仔裤,我还在等苹果公司给我答复呢。图片来源:wired.com

先从最重要的说起

显然,我们还是应该先从衣服说起。对于那种本身就是半透明的衣服,那用强光就可以了,在明媚的阳光下,衣服后面的胴体也会更加清晰。可是我们技术流怎么能依赖别人穿透底衣服这样的运气呢?

要看穿衣服,第一个选项自然是红外成像了,依赖的是电磁波的红外波段。

图片 3当然,乳房热成像其实是要脱去衣服才能做的。图片:Wiki Commons/Philip Hoekstra/有修正

对于正常着装的情况,衣服的热辐射与人体的热辐射混合在一起,是不能使用被动红外成像轻松看穿的。有位威尔·罗斯(Will Rose)制作了视频来向大家展示这一点。

图片 4没有强红外光源,不能完全看穿衣服。图片来自威尔·罗斯视频的截图

然而能否看穿跟要看穿的材料以及用来看穿的电磁波的波长有关,有些材料在红外波段是非常透明的,这样的材料包括某些浴帘以及塑料垃圾袋。

图片 5隔着浴帘,人像依然“清晰可见”。而黑色的垃圾袋在红外成像时几乎完全透明,可是谁在乎垃圾袋!图片来自威尔·罗斯视频的截图

上面是被动红外成像,人体的热辐射显然太弱。正如我们可以在强烈的太阳下更清楚的看穿某些人的衣服一样,如果我们有个红外源来照射被拍摄物体,那结果自然是能看穿更多了,例如纯棉衫就变的透明了。

图片 6这是一件 95% 棉的上衣。图片来自威廉·雷·瓦尔特斯(WilliamRayWalters)视频的截图。

 

(果壳翻译学习组/译)量子力学中最著名的那个思想实验的要旨就是,量子世界完全不同于我们所熟悉的世界。奥地利物理学家埃尔温•薛定谔(Erwin Schrödinger)让我们想象一只猫放在一个箱子里。这只猫的命运和量子世界紧密相连,因为箱子里放有毒药,但只有当一个放射性原子衰变的时候才会释放出来。量子力学说,在被观测之前,这个原子一定处于一个独特的状态——“叠加态”,在这个状态下,原子既衰变了也没有衰变。更进一步,因为猫是否能存活取决于这个原子的状态,这同时也表示这只猫也处于一个既死又活的叠加态——直到有人打开箱子来观察它为止。这只猫的性命取决于原子的状态,而这个原子的状态却悬而未决。

(IvyP/译)说实话,我觉得iPhone 6 Plus“掰弯门”这件事有点过分夸大了。如果你愿意的话,可以掰弯或者折断任何电子设备,它们又不是金刚不坏之身。

如果不止满足于看穿衣服呢?

然而只看破衣服,还不能满足一部分人的需求:一定要看到骨头,某些人就好这一口。

那我们先来回顾一下电磁波谱吧。上面说了红外和紫外,往更长的波长,电磁波更容易绕过物体,但是由于波长太长,定位精度就低。可以用来看穿门和墙壁,比如利用 WIFI 来定位建房间内部的恐怖分子[1]。往更短的波长,能量越高,除了穿过木门之类,穿过人体更容易,大家熟知的 X 光片便是最好的例子。

提到 X 光片,就不得不提第一张医学 X 光片——伦琴夫人手的照片。在 X 光这样高能量的电磁波面前,人体的血肉都是透明的。这是广泛使用的医学影像技术之一。

图片 7第一张医学 X 光片。图片:Wiki Commons/Public Domain

但是如果改进X射线扫描仪的结构的话,又能“化腐朽为神奇”,传统的X射线只是穿透过去,根据穿透的量来成像,但是如果我们检查的是散射的X射线呢?我们就得到了一个X射线背散射扫描仪,也就是传说中在某些机场使用的,传说中的“裸体扫描仪”。

图片 8面对这样高能的,引发无数争议的,能够看穿一切的神奇机器,除了穿着金属油墨印刷的内衣加以抗议之外,似乎也没有更好的办法来保护自己的隐私了。图片:theinspirationroom.com

回到看穿人体——用的更高能量的伽玛射线其实效率也很高,闪烁扫描仪利用的就是这种射线。采用不同的方法让人体的特定部位吸收放射性同位素,然后在体外探测放射性同位素释放出的伽马射线,就可以形成二维影像了。

当然,这些高能电磁波并非仅仅应用在医学以及安保上,其他应用也很多。在材料损伤探测的时候,钢筋铁骨也能看穿。

但没有人真的相信这只猫可以既死了又活着。原子这样的基本粒子有奇怪的量子特性(比如同时存在两种状态,同时处于两个位置,穿过本应无法透过的屏障等等),而猫这样常见的经典物体却不会有,两者之间存在极其重大的区别。为什么呢?简而言之,这些奇怪的量子特性太脆弱了。

对我来说,这件事的重点不在iPhone,而是在人们如何讨论掰弯iPhone背后的物理学。下面让我们仔细看一看其中的一些常见的说法(以及一些正确的说法)。

如何看穿更大的东西?

那么要看穿更多的东西,我们就不得不拿出一个更普适的方案——声波。我们这里要说的,不仅仅是我们听到的声波,而是一切振动模式的传播。如同敲西瓜来判断西瓜里面是否沙瓤一样,我们可以利用声波来获取几乎所有物体或多或少的内部信息。

图片 9利用声波看穿西瓜,你可以吗?图片:shutterstock.com

与光在介质交界处的反射和折射类似,声波也会有反射和折射。而由于超声波具有很好的指向性,所以通过超声波在人体内不同部分之间的回声的探测和计算,可以获得体内的结构,例如看到肚子里未出生的孩子。同样的原理,超声也可以用来对材料进行损伤断定。

前面看了很多人体,既然是要看穿一切,那我们要将视角从人移到更加宏大的物体上。

广义上讲,震动模式和声速这些信息是有物体的组成和结构有着密切的联系的,一个钢球的声音通常要比一个木球的声音要更清脆。

要看穿地球?请用声波,地震波给了我们很多地球的结构信息。现在我知道地球内部有多个不同性质的层,主要手段就是使用地震波。这边大力一脚踩,其他地方的人分析声波的特性,就可以知道地球里面声波跑的快,所以比较硬,哪里有明显反射,所以是个交界处。

图片 10教程:如何利用地震波看穿地球。图片:Wiki Commons/SEWilco/Hardwigg

要看穿太阳?请用声波,星震学指引我们通过分析恒星的不同振动模式来获取恒星内部的信息,其最基本原理与地震学类似。

所以想看穿一切,就要任性地使用声波。

图片 11薛定谔的猫不太可能真的既死又活——但它体内会不会有别的量子叠加态呢?图片来源:egotailor.com

压强与力

为什么在厚厚的雪地里走路要穿雪鞋?原因很简单,如果能不陷到雪里,走起路来就容易多了。雪鞋增加了你的脚与雪地之间的接触面积,但并没有改变你的体重。

图片 12雪地靴通过增加脚与雪地之间的接触面积,减小压强,从而让人可以在雪地上行走。图片来源:wired.com

这是因为,让雪下陷的关键在于压强有多大,而不是作用在其表面的力有多大。压强等于作用力与接触面积的比,单位是牛顿/平方米(N/m2),也称作帕斯卡(Pa)。

图片 13

那么掰弯iPhone 6 Plus呢?这时接触面积仅仅是一方面。如果你用一个很尖的东西去戳一块铝(iPhone后壳),肯定能弄出一个坑来。但是要弄弯整个iPhone的话,就与接触面积没关系了,除非你的整个手都压在iPhone的后壳上——假设真是这样,你也就不大可能会折弯它了。

我不太喜欢的一种说法是“增大它的压强”,也许我就是一个对这些细节较真的老古董物理学家,但是压强确实不是一个物体的属性,应该称它是一种相互作用。你可以说增大对于iPhone的压强,这样可能会更好,不过也许我该就此打住了。

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