马丁，教师 想到哪写到哪吧！ 1、落米问题：米从高处的出米口处落下，初速为零，流量不变。米落在一个秤盘上，当秤的示数为 50kg 瞬间，关闭出米口，待空中的米落下，稳定后的示数还是 50kg！ 2、彩虹圈内：仔细观察，会发现彩虹圈内天空的亮度比圈外天空的亮度要大。 3、流体问题：漏斗大头朝下，含着漏斗出口往下吹气，竟然能把漏斗入口处的乒乓球吸住。 4、电磁感应：一个磁铁分别从一个铝管和一个塑料管中落下，下落时间会差别很大！ 5、惯性问题：一刹车，大家都向前倒去，而小孩手里拿的氢气（氦气）球却是向后倒去的。 6、古典问题：重球比轻球落得快 7、恒星寿命：恒星通过烧燃料（核聚变）来发光发热，燃料用光就算挂了，然而~燃料越多的恒星越短命~ 8、波的干涉：一个喇叭对你嚷嚷，你嫌吵怎么办？再开一个喇叭发同样的声音，在合适的位置，你感觉很安静~ 9、眼镜贴膜：眼镜上贴的增透膜，入射光在薄膜一部分在薄膜前表面反射，一部分在薄膜后表面反射，其他光透过薄膜。薄膜厚度合适的话，那两部分反射光会互相抵消，导致透射光增强！什么鬼？两部分反射光抵消就抵消呗，关透射光什么事！？摘下眼镜，那眼镜当镜子去看日光灯，你会看到不一样的日光灯。 10、波粒二象性：电子束通过狭缝，一开始在光屏上打出一个一个的点，后来点连成片，竟然形成明暗相间的波纹。往深了想足可以颠覆三观。 11、热功当量：把一壶凉水烧开的能量，可以将把一个人向上提升两千米。 12、液面升降：水杯里漂浮的冰块如果熔化了，水面不升也不降。 13、光的折射：光在空气中跑的快，在水中慢，光从空气中 A 点到水中 B 点，光想都不用想，就能选取最佳路径（保证时间最短） 14、万有引力：宇航员们在神州飞船内部飘着的时候，其实他们受到的万有引力只比在地面上受到的万有引力小了一点而已。 15、月亮自转：月亮的自转周期竟然和她的公转周期一样！这也导致我们只能看见月亮的一个面。 16、潮汐现象 1：潮汐现象主要是由于月亮引力作用导致的，靠近月亮的海洋受到的引力大点，有潮汐就罢了，远离月亮的海洋竟然也有几乎一样大的潮汐现象。古人对这个问题很苦恼。 17、潮汐现象 2：太阳的对地球水域的引力要比月亮的引力大几百倍，结果潮汐的主要成因却是月亮的引力。 18、电磁炉：铁锅烫的不行不行的，炉子自己倒是不太热。 19、光速不变：这个都不是反直觉了，直接颠覆三观。 20、水的反常：水极其常见，但它的性质又和其他物质极其不同，比如暴大无比的比热容（升温或降温的困难程度）反常膨胀（人家一般都热胀冷缩、它却在某一温度范围内热缩冷胀） 21、两波相撞：打南边来一波（机械波、比如水波），打北边来一波，两波相撞，该怎么叠加怎么叠加，完事后各走各的路，就像没碰着一样。和小球撞小球截然不同。 22、物理玩具：抓不住的蛇、平衡鸟、饮水鸟…… 23、卫星变轨：从低轨道到高轨道，中间至少经过两次喷射加速，最后变轨后的速度反而减小了。 24、漂浮：漂浮时，浮力等于重力，而不是大于重力。 25、进动：经典力学中没有什么比进动更反直觉了。 先写这么多，语言不甚严谨，请见谅 知乎用户，隐身衣 / 光及电磁波 / Phd Candidate / 伪摇滚爱好者 我来说说我重新认识的电磁波世界。 1、首先是变换光学带来的无穷魅力。 它可以用来设计隐身衣： 注意电磁波绕过了一个物体，好像这个物体对于它不存在一样。 隐身衣有非常多有趣的地方，如果对它感兴趣可以点击这里： 浙大的光学隐身技术是怎么回事？ 电磁波聚集器： 半径为 c 的圆圈内的电磁波都聚集在半径为 a 的圆圈内。注意外面的电磁波不受影响。 电磁波转向器： 半径为 a 的圆圈内的场旋转了 90°。注意外面的电磁波不受影响。 超散射 在星星外面罩一个”面包圈“，使它看上去放大了几倍。注意是 360°无死角放大，跟放大镜不一样。 看不见的波导 弯曲波导 光学黑洞 顾名思义，所有的光在遇到这个器件的时候，都有去无回。 还有很多别的应用，我就不列举了。通过变换光学可以自由的操作电磁波，这是跟人们以往的想法是不一样。 2、电磁波通过一个很小的通道隧穿过去。 比如这样，电磁波照理来说在经过一个很小的通道时大部分能量会反射回去。但是在这个窄道里填充介电常数为零的介质后，电磁波竟然全部隧穿过来了。 3、超透镜 光学显微镜有衍射极限，大约为波长的二分之一，这个大家都知道。 但是超透镜可以突破衍射极限，能分辨小于二分之一波长的物体。 4、负折射率材料 负折射率材料在上个世纪还一直以为是不存在的，现在都造出来了。一般实现负折射介质是采用超材料，当然光子晶体也是可以的。 如果对超材料感兴趣可以点击这里，我对它做了比较详细的介绍： 地铁内超高速 Wi-Fi 中的超材料到底是什么，怎样 「剪裁」电磁波？ 负折射率材料有很多反直观的特性，比如逆契伦科夫辐射。 什么是契伦科夫辐射？ 摩托艇在水面滑行产生的水纹就是契伦科夫辐射。 电磁波： 对于折射率为 2 的介质，电磁波的极限速度为 0.5c（c 是电磁波在真空中得速度），如果一个高能粒子以 0.6c 的速度射入这种介质，就会产生所谓的契伦科夫辐射。所以应该是这样的： 如果将材料替换为负折射率材料，那么很神奇的事情发生了： 还有逆多普勒效应，就是电磁波波源离你远去的时候，你发现它的频率在增加。 利用负折射率材料还可以制作完美的透镜，电磁波携带的所有的信息都可以恢复，没有衍射极限的问题了。 6、光子晶体 光子晶体是模拟固体物理中的晶体得到的。这就很神奇了，它跟晶体一样有禁带。 首先看看光子晶体怎么实现，它是这样的： 蓝色的普通的介质，比如介电常数为 8 的材料，其他的是空气。 照理来说，这种材料是不可以完全阻挡电磁波传播的，但是如果它排成这种周期结构，在某些频率下，它就可以禁止电磁波传播。所以就可以用来束缚电磁波，做成波导： 有人问这东西有什么用，波导不是可以用金属来做吗。但是在光频道，金属就不再是金属了，它们变成了普通的介质。所以光子晶体具有做光器件的潜力。它还可以做成三维的，就变成了类似光纤的东西。注意它跟光纤不一样，光子晶体是在亚波长尺度调控光波。 7 、表面波 表面波是什么东西？表面波一般在比较高的频段，这时金属不再是金属了，金属的介电常数为负值。然后在金属与空气的交界处可以束缚电磁波。比如这样： 这东西好玩得很，可以做成波导，或者其它光器件。以后的光电路有可能用到它。 当然在低频段，比如微波段也是可以的。虽然在自然界，微波段没有介电常数为负的材料，但是可以 人工制造出来。它可以做成这样： 这东西就像电线一样……电磁波就沿着这个“电线”走，是不是很神奇。顺便说一下，这个工作是东南大学崔铁军老师他们组做的，发表在 PNAS（碉堡的期刊）上面，所以说国内还是有很多老师在专心科研的。 8、光学拓扑绝缘体 拓扑绝缘体，这个是最近才火的，其影响可媲美石墨烯。当然这东西也是最先出现在凝聚态物理，最近一两年延伸到电磁波。非常神奇的是，电磁波只能在它的表面传，不能在这种材料里面传，而且在表面传时，特定的极化只能在一个方向传。上图： 9、慢光 顾名思义是让光走得很慢。其中有个原理是电磁感应透明（electromagnetic induced transparence）。用超材料来解释的话，就是：一个 dark element 在某个频率点谐振，使得电磁波不能透射过去，谐振的品质因数非常高；另一个是 bright element 在同一个频率点谐振，使得电磁波不能透射过去，谐振的品质因数比较小。然后它们两个一叠加，电磁波就可以透射过去了。放个图： （c）就是（a）（b）爱的结晶。电磁波真的透过去了。 其实重点不在这。在这一点，电磁波的群速度会非常小，也就是光停在那里了。 当然这其实是从凝聚态物理引申过来的。真正有趣的可能不在我熟悉的领域。 去年科学家已经可以将光停止 1 分钟了。见下图： 10、Casimir force 及自发辐射 真空中并不是空无一物（零点能），里面有各种光子产生和湮灭，虽然总的场为零，但是它们的扰动不为零。考虑上面的模型，有两块金属板，中间有一些空隙。由于电磁波在金属板之间有特定的模式，并且由于两块板的作用，一些低频率的模式不能存在于板之间，也就是说，有部分的光子的涨落别限制了。这就导致板外面的力比板里面的力要强，进而产生 Casimir 力。 另外，Casimir 力实际上就是范德华力。所以范德华力的也可以用上面的物理来解释[1]。 另外，真空中的扰动，也是自发辐射的根本原因。正是由于真空中的扰动，造成了原子中电子能级的变化，从而辐射出光子。 还有很多…… 现在科学家研究的一般都是反直觉的东西。越反直觉越有价值。每一个重大的 breakthrough 都是在刷新人们的世界观。 P.S. 由于引用的文献太多了，我就不列举了。 References 1. Rodriguez, A. W., Capasso, F., & Johnson, S. G. (2011). The Casimir effect in microstructured geometries. Nature photonics, 5(4), 211-221. 持续更新中…… 阅读原文
