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异常龙卷风……这个耳熟能详的故事,实际上描述的是在一个复杂系统的状态上出现的微小变化,可以在不久之后导致剧烈的变化。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。在混沌系统中,一个微小的调整就可能产生一系列的连锁效应,从而彻底地改变最终结果。
关于混沌的最令人惊讶的事情之一,可能就是物理学家用了很长时间才意识到它的普遍性,而这种历史性的空白之所以存在,部分原因在于混沌系统很难分析。对于某些非线性系统来说,哪怕我们能以任意精度测量出最微小的扰动,也只能对其在有限时间内作出预测。
这种混沌效应几乎出现在各种物理系统中。比如从量子水平上看,黑洞也会表现出类似的混沌行为。对于黑洞来说,哪怕是出现将一个粒子扔进这个深渊这样的微小改变,也可能彻底改变黑洞的行为方式。
迈斯纳效应
当一种材料从一般状态相变至超导态时,会对磁场产生排斥现象,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分布测量时发现了这种效应(因此它也被称为迈斯纳-奥切森菲尔德效应)。
当把超导材料放入磁场中时,超导体内部的磁通量会被即刻“清空”。这是因为磁场会使得超导体表面出现超导电流,该超导电流又反过来在超导体内产生与外磁场大小相等、方向相反的磁场,两个磁场相互抵消,使超导体内形成恒定为零的磁感应强度。因此从外部看起来,就像是超导体排空了体内的磁感线一样。
当把超导材料放在磁铁上时,只要这个磁体的磁场强度不超过特定极限,超导体便可以悬浮在磁体上方。这是因为迈斯纳效应让磁场发生畸变,产生了一个向上的力。
如果磁场的强度持续增加,超导体就会失去超导性,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者只拥有部分迈斯纳效应,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材料,这类超导体在强磁场下也能维持超导性能。
阿哈罗诺夫—玻姆效应