混沌运动的研究
物理学中几个有趣现象的探讨
物理学的概述
物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。在现代，物理学已经成为自然科学中最基础的学科之一。
在物理学领域中，研究的是宇宙的基本组成要素：物质、能量、空间、时间及它们的相互作用；借由被分析的基本定律与法则来完整了解这个系统。物理在经典时代是由与它极相像的自然哲学的研究所组成的，直到19世纪物理才从哲学中分离出来成为一门实证科学。
物理学与其他许多自然科学息息相关，如数学、化学、生物和地理等，特别是数学、化学、生物学。化学与某些物理学领域的关系深远，如量子力学、热力学和电磁学，而数学是物理学的基本工具。
从古时候起，人们就尝试着理解这个世界：为什么物体会往地上掉，为什么不同的物质有不同的性质等等。宇宙的性质同样是一个谜，譬如地球、太阳以及月亮这些星体究竟是遵循着什么规律在运动，并且是什么力量决定着这些规律。人们提出了各种理论试图解释这个世界，然而其中的大多数都是错误的。这些早期的理论在今天看来更像是一些哲学理论，它们不像今天的理论通常需要被有系统的实验证明。像托勒密和亚里士多德提出的理论，其中有些与我们日常所观察到的事实是相悖的。当然也有例外，譬如印度的一些哲学家和天文学家在原子论和天文学方面所给出的许多描述是正确的，再举例如希腊的思想家阿基米德在力学方面导出了许多正确的结论，像我们熟知的阿基米德定律等等。
然而，在物理学中我们经常可以遇到许多有趣的物理问题，有的问题已经经过多年的物理学的研究发展得以揭开其中的奥秘，但是有些则依然是物理学家们所关心以及仔细研究的科目。
物理本来就是一个非常值得我们研究的学科，在日常生活中，我们所遇到的现象以及所运用的道理都是遵循物理学的规律的。物理是一种十分具有严谨性的学科，然而，在严谨的基础上，我们可以利用物理学的理论来对一些十分有趣的现象作出合理的解释。
一、混沌运动的研究
随着科学技术的不断进步，人们的认知能力也越来越高，因此，人们越来越意识到：物理世界是一个充满着非稳定性和随机涨落的复杂体系，单一的决定论或概率论的描述方法并不完备；物理学家要用新的见解来重新考察物质的运动和结构，以便更深刻地描述自然界的真实情况。混沌和分维就是这些新见解的一部分。
运动的非线性和混沌
一般来说，如果一个接近实际而没有内在随机性的模型仍然具有貌似随机的行为，就可以称这个真实物理系统是混沌的。一个随时间确定性变化或具有微弱随机性的变化系统，称为动力系统，它的状态可由一个或几个变量数值确定。而一些动力系统中，两个几乎完全一致的状态经过充分长时间后会变得毫不一致，恰如从长序列中随机选取的两个状态那样，这种系统被称为敏感地依赖于初始条件。而对初始条件的敏感的依赖性也可作为一个混沌的定义。
在物理学中，我们通常研究的是线性问题。所谓线性问题，就是表达该过程的物理学规律，即微分方程式中，只包含函数ψ及其导数的一次项。若含有二次等高次项，则称为非线性的，线性仅是某种程度上的有条件的近似。
与我们通常研究的线性科学不同，混沌学研究的是一种非线性科学，而非线性科学研究似乎总是把人们对“正常”事物“正常”现象的认识转向对“反常”事物“反常”现象的探索。例如，孤波不是周期性振荡的规则传播；“多媒体”技术对信息贮存、压缩、传播、转换和控制过程中遇到大量的“非常规”现象产生所采用的“非常规”的新方法；混沌打破了确定性方程由初始条件严格确定系统未来运动的“常规”，出现所谓各种“奇异吸引子”现象等。
单摆运动是大家所熟悉的，它表现出简谐振动的特征，其中还存在非线性微扰项。在某些稳定过程中，这些微扰项的效应不会表现出来，可以作为线性问题处理；一旦非线性微扰的作用通过自放大过程而不断强化，则会使摆的运动复杂起来。如果在单摆实验装置中，用一枚铁质回形针作摆球，在摆球下方平放一块塑料板，板上粘两块磁性相同的磁铁：这就构成了磁微扰单摆试验装置。调整塑料板位置，使磁铁连线的中点就在摆球的正下方。我们随意把摆球拉开一个小位移，在塑料板上仔细地记下它们的位置，并观察摆球最后停下的位置。不难发现：这些运动的初始点可分为二大类：一类是可以准确地判定摆球最终将停留在哪块磁铁附近，另一类则是无法进行判定的。进而发现，摆球的起始位置越靠近两磁铁的等距点，摆球的运动迹线越复杂，越难预先判定其最终归宿。而若要把这类初始点的位置构成一个集合又是那么地困难：它们凹凸曲折、时断时连，很不光滑，又无穷尽。
实验结果发现，磁微扰单摆运动出现了特异的表现。首先，运动是在决定论中蕴含着随机性，使得对于某些起始条件下的运动结果是不可预测的。其次，存在着运动的非稳定区，系统运动的过程及最终结果对初始条件特别敏感，小位移的大小、方向略有不同也会对未来的过程起重要的作用。最后我们注意到构成这种特异表现的原因，则是系统除受重力作用外，还受到非线性磁微扰的自放大作用。这类对初始条件十分敏感，而且运动的长期效应是不可预测的非线性运动，就是混沌运动。
自然界中的混沌运动
混沌运动是自然界中普遍存在的一种运动形式。有位学者说过：“演化就是混沌加反馈。”古希腊早期的宇宙论中，混沌意味着事物生成前的宇庙的原始空虚状态。中国古代的“天地合气、万物自生”的宇宙论中也有混沌孕育万物元始的认识。但是作为科学术语，人们对混沌的认识还是近代的事。
19世纪初，玻尔兹曼曾提出过分子运动的混沌状态的假设。1831年，法拉第在对以频率ω作垂直振动的容器中的浅水波的观察研究中，发现水波中出现了频率为ω/2的分频成分。我们现在已知道，分频是非线性系统的表现，这种“分岔”往往是系统进入混沌的预兆。1883年，物理学家雷诺在观察液体的对流现象时发现了当相对流动速度快到一定程度后会形成湍流。现在确认湍流也是一种混沌运动。无限折叠也是混沌运动的操作方式之一。1963年美国气象学家洛伦兹在对热对流及大气动力系统中的复杂现象的研究中，首先准确地捕捉到了混沌运动的特征，从而开始了对混沌运动的科学研究。
众多的物理分支学科都发现和揭示了不同的混沌运动。例如，1977年科学家发现低温下通过两个导体之间极薄的绝缘层存在着超导隧道效应，随着增益提高会出现反常噪声。实验在摄氏零下296度低温下进行，噪声的等效温度竟高达摄氏5万度以上。其实，这表明系统进入了混沌态。在天文物理学中人们发现在太阳系统中许多天体是在做混沌运动。例如土卫七，木星行星带中的小行星，甚至冥王星的运动都是混沌运动。在地球物理学中，人们发现地震活动是一种非周期性的混沌运动。在生物物理学中，科学家们发现健康的人的心跳节率是混沌的，大脑的混沌方能使人们对各种刺激作出迅速的反应。
除了在物理学之外，1977年b－z化学反应中发现了阵发混沌运动。化学家们推测在催化反应，酶促反应等化学反应系统中都存在着混沌行为。西方的一些经济学家也开始用非线性动力学模型来研究经济，并把混沌引入对经济波动的分析。因此，混沌运动是值得研究的一种普遍运动形式。核压力实验，得出结论：地核温度为摄氏6 800度，比以前人们认为的摄氏2 100～3 100度要高出2～3倍。完全出乎人们意料，它比太阳表层温度摄氏5 700度还高。这意味着地核将大量释放能量，为火山喷发、地震、大陆板块活动提供能量，这些能量比人们预想得要多得多。
鸟类的混沌现象
一群飞鸟和谐无比地从一个方向转到另一方向，从空中猛扑下来时，鸟儿们却不会相互碰撞。这样的情景实在是让人感到惊奇，鸟儿们是怎么做到这一点的呢？动物学家弗兰克赫普纳对鸟群的运动方式进行了艰苦的摄影和研究后，作出结论：这些鸟并没有领导者在引路。它们在动态平衡的状态中飞行，鸟群前缘中的鸟以简短的间隔不断地更替着。在接触混沌理论和计算机之前，他无法解释鸟群的运动。利用混沌理论的概念，赫普纳现在已经设计出一种模拟鸟群的可能运动的计算机程序。他确定了以鸟类行为为基础的四条简单规则，他确定的规则是：（1）鸟类或被吸引到一个焦点，或栖息；（2）鸟类互相吸引；（3）鸟类希望维持定速；（4）飞行路线因阵风等随机事件而变更。并用三角形代表鸟。变动每条规则的强度，可使三角形群以人们熟悉的方式在计算机监视器上飞过。赫普纳并不认为他的程序一定说明了鸟群的飞行形式，但是他的确对鸟群运动的方式和原因提出了一种可能的解释。
混沌学的另一个重要特点是，它致力于研究定型的变化，而非日常我们做熟悉的定量。这是由它的成立的目的——解决复杂的、多因素替换成为引起变化的主导因素的系统而决定的。它的基本观点是积累效应和度，即事物总处在平衡状态下的观点。它是与哲学一样，适用面最广的科学。
混沌不是偶然的、个别的事件，而是普遍存在于宇宙间各种各样的宏观及微观系统的，万事万物，莫不混沌。混沌也不是独立存在的科学，它与其他各门科学互相促进、互相依靠，由此派生出许多交叉学科，如混沌气象学、混沌经济学、混沌数学等。混沌学不仅极具研究价值，而且有现实应用价值，能直接或间接创造财富。
二、蝴蝶效应的探讨
在我们的日常生活中，有许多特别有意义的物理学现象，这些现象已经在物理学中被广泛地运用到其他许多领域。“蝴蝶在热带轻轻扇动一下翅膀，遥远的国家就可能造成一场飓风。”这就是我们常常所指的蝴蝶效应。
在物理学中，蝴蝶效应是指在一个动力系统中，初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的、巨大的连锁反应。这是一种混沌现象。
蝴蝶效应的由来
蝴蝶扇翅引起飓风
蝴蝶效应的得名以及来源还得从美国麻省理工学院气象学家洛伦兹的发现谈起。为了预报天气，他制作了一个电脑程序，可以模拟气候的变化，并用图像来表示，他用计算机求解仿真地球大气的13个方程式，意图是利用计算机的高速运算来提高长期天气预报的准确性。1963年的一次试验中，为了更细致地考察结果，他把一个中间解0.506取出，提高精度到0.506 127再送回。而当他到咖啡馆喝了杯咖啡以后回来再看时竟大吃一惊：本来很小的差异，结果却偏离了十万八千里！再次验算发现计算机并没有毛病，洛伦兹发现，由于误差会以指数形式增长，在这种情况下，一个微小的误差随着不断推移造成了巨大的后果。最后他发现，图像是混沌的，而且十分像一只蝴蝶张开的双翅，因而他形象的将这一图形以“蝴蝶扇动翅膀”的方式进行阐释，于是便有了上述的说法。他于是认定这为：“对初始值的极端不稳定性”，即“混沌”，又称“蝴蝶效应”，亚洲蝴蝶拍拍翅膀，将使美洲几个月后出现比狂风还厉害的龙卷风！
这个发现非同小可，以致科学家都不理解，几家科学杂志也都拒登他的文章，认为“违背常理”：相近的初值代入确定的方程，结果也应相近才对，怎么能大大远离呢！
线性，指量与量之间按比例、成直线的关系，在空间和时间上代表规则和光滑的运动；而非线性则指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。如问：两个眼睛的视敏度是一个眼睛的几倍？很容易想到的是两倍，可实际是6～10倍！这就是非线性：1＋1不等于2。
激光的生成就是非线性的！当外加电压较小时，激光器犹如普通电灯，光向四面八方散射；而当外加电压达到某一定值时，会突然出现一种全新现象：受激原子好像听到“向右看齐”的命令，发射出相位和方向都一致的单色光，就是激光。
非线性的特点是：横断各个专业，渗透各个领域，几乎可以说是：“无处不在时时有。”
如：天体运动存在混沌；电、光与声波的振荡，会突显混沌；地磁场在400万年间，方向突变16次，也是由于混沌。甚至人类自己，原来都是非线性的：与传统的想法相反，健康人的脑电图和心脏跳动并不是规则的，而是混沌的，混沌正是生命力的表现，混沌系统对外界的刺激反应，比非混沌系统快。由此可见，非线性在我们身边随处可见。
蝴蝶效应其原因在于：蝴蝶翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反应，最终导致其他系统的极大变化。此效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。
蝴蝶效应是混沌学理论中的一个概念。它是指对初始条件敏感性的一种依赖现象。输入端微小的差别会迅速放大到输出端。“蝴蝶效应”也可称“台球效应”，它是“混沌性系统”对初值极为敏感的形象化术语，也是非线性系统在一定条件（可称为“临界性条件”或“阈值条件”）出现混沌现象的直接原因。
蝴蝶效应的含义
某地上空一只小小的蝴蝶扇动翅膀而扰动了空气，长时间后可能导致遥远的彼地发生一场暴风雨，以此比喻长时期大范围天气预报往往因一点点微小的因素造成难以预测的严重后果。微小的偏差是难以避免的，从而使长期天气预报具有不可预测性或不准确性。这如同打台球、下棋及其他人类活动，往往“差之毫厘，失之千里”、“一招不慎，满盘皆输”。长时期大范围天气预报是对于地球大气这个复杂系统进行观测计算与分析判断，它受到地球大气温度、湿度、压强诸多随时随地变化的因素的影响与制约，可想其综合效果的预测是难以精确无误的、蝴蝶效应是在所难免的。我们人类研究的对象还涉及其他复杂系统（包括“自然体系”与“社会体系”），其内部也是诸多因素交相制约错综复杂，其“相应的蝴蝶效应”也是在所必然的。“今天的蝴蝶效应”或者“广义的蝴蝶效应”已不限于当初洛仑兹的蝴蝶效应仅对天气预报而言，而是一切复杂系统对初值极为敏感性的代名词或同义语，其含义是：对于一切复杂系统，在一定的“阈值条件”下，其长时期大范围的未来行为，对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感，即初值稍有变动或偏差，将导致未来前景的巨大差异，这往往是难以预测的或者说带有一定的随机性。
产生蝴蝶效应的内在机制
所谓复杂系统，是指非线性系统且在临界性条件下呈现混沌现象或混沌性行为的系统。非线性系统的动力学方程中含有非线性项，它是非线性系统内部多因素交叉耦合作用机制的数学描述。正是由于这种“诸多因素的交叉耦合作用机制”，才导致复杂系统的初值敏感性即蝴蝶效应，才导致复杂系统呈现混沌性行为。目前，非线性学及混沌学的研究方兴未艾，这标志人类对自然与社会现象的认识正在向更为深入复杂的阶段过渡与进化。从贬义的角度看，蝴蝶效应往往给人一种对未来行为不可预测的危机感，但从褒义的角度看，蝴蝶效应使我们有可能“慎之毫厘，得之千里”，从而可能“驾驭混沌”并能以小的代价换得未来的巨大“福果”。蝶效应用的是比喻的手法，并不是说蝴蝶引起的飓风。
“蝴蝶效应”之所以令人着迷、令人激动、发人深省，不但在于其大胆的想象力和迷人的美学色彩，更在于其深刻的科学内涵和内在的哲学魅力。混沌理论认为在混沌系统中，初始条件的十分微小的变化经过不断放大，对其未来状态会造成极其巨大的差别。我们可以用在西方流传的一首民谣对此作形象的说明。
这首民谣说：
丢失一个钉子，坏了一只蹄铁；
坏了一只蹄铁，折了一匹战马；
折了一匹战马，伤了一位骑士；
伤了一位骑士，输了一场战斗；
输了一场战斗，亡了一个帝国。
马蹄铁上一个钉子是否会丢失，本是初始条件的十分微小的变化，但其“长期”效应却是一个帝国存与亡的根本差别。这就是军事和政治领域中的所谓“蝴蝶效应”。有点不可思议，但是确实能够造成这样的恶果。一个明智的领导人一定要防微杜渐，看似一些极微小的事情却有可能造成集体内部的分崩离析，那时岂不是悔之晚矣？
“蝴蝶效应”的理论以实证手段证明了中国1 300多年前《礼记·经解》：“《易》曰：‘君子慎始，差若毫厘，谬以千里。’”《魏书·乐志》：“但气有盈虚，黍有巨细，差之毫厘，失之千里。”的哲学思想，从这点说明感知比认知来得直接，其所谓的吸引子就是《混元场论》中元外场作用，其《混沌学》的非线性理论就是《混元场论》场中对象元独立的绝对计数时间体系。
科学家给混沌下的定义是：混沌是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，一个确定性理论描述的系统，其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测，这就是混沌现象。进一步研究表明，混沌是非线性动力系统的固有特性，是非线性系统普遍存在的现象。牛顿确定性理论能够完美处理的多为线性系统，而线性系统大多是由非线性系统简化来的。因此，在现实生活和实际工程技术问题中，混沌是无处不在的。洛伦兹第一次发现混沌现象，至今，关于混沌的研究一直是物理学家、社会学家、人文学家所关注的。研究混沌，其实就是发现无序中的有序，但今天的世界仍存在着太多的无法预测，混沌，这个话题也必将成为全人类性的问题。
蝴蝶效应的应用
目前，混沌现象已经在许多领域得以应用：
蝴蝶效应通常用于天气、股票市场等在一定时段难于预测的比较复杂的系统中。此效应说明，事物发展的结果，对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件的极小偏差，将会引起结果的极大差异。
蝴蝶效应在社会学界用来说明：一个坏的微小的机制，如果不加以及时地引导、调节，会给社会带来非常大的危害，被戏称为“龙卷风”或“风暴”；一个好的微小的机制，只要正确指引，经过一段时间的努力，将会产生轰动效应，或称为“革命”。
蝴蝶效应本来动力系统中的一个物理现象，但是这个物理现象经过引申，它又获得了更多的意义，因此，蝴蝶效应在我们生活中所指代的领域也日益广泛。
三、虫洞效应的探讨
虫洞理论是一个有趣的物理概念，它是由爱因斯坦提出来的，那么虫洞到底是什么呢？虫洞是一个抽象的物理概念，其实虫洞就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。它可以把平行宇宙和婴儿宇宙连接起来，并提供时间旅行的可能性。它也可能是连接黑洞和白洞的时空隧道，也叫“灰道”。
为了对虫洞有更加明确的了解，我们可以用一个简单的例子来解释虫洞的概念：假如说大家都在一个长方形的广场上，左上角设为A，右上角设为B，右下角设为C，左下角设为D。假设长方形的广场上全是建筑物，你的起点是C，终点是A，你无法直接穿越建筑物，那么只能从C到B，再从B到A。再假设假如长方形的广场上什么建筑物都没了，那么你可以直接从C到A，这是对于平面来说最近的路线。但是假如说你进入了一个虫洞，你可以直接从C到A，连原本最短到达的距离也不需要了。这就是所谓的虫洞。但是由于虫洞引力过大，人无法通过虫洞来实现“瞬间移动”的可能。
随着科学技术的发展，我们对于虫洞又有了更新的研究和发现，“虫洞”的超强力场可以通过“负质量”来中和，达到稳定“虫洞”能量场的作用。科学家认为，相对于产生能量的“正物质”，“反物质”也拥有“负质量”，可以吸去周围所有能量。像“虫洞”一样，“负质量”也曾被认为只存在于理论之中。不过，目前世界上的许多实验室已经成功地证明了“负质量”也存在于现实世界，并且通过航天器在太空中捕捉到了微量的“负质量”。
美国华盛顿大学物理系研究人员曾经作过相关的计算，结果表明“负质量”可以用来控制“虫洞”。他们指出，“负质量”能扩大原本细小的“虫洞”，使它们足以让太空飞船穿过。他们的研究结果引起了各国航天部门的极大兴趣，许多国家已考虑拨款资助“虫洞”研究，希望“虫洞”能实际用在太空航行上。
“虫洞”的研究虽然刚刚起步，但是它潜在的回报不容忽视。科学家认为，如果研究成功，人类可能需要重新估计自己在宇宙中的角色和位置。现在，人类被“困”在地球上，要航行到最近的一个星系，动辄需要数百年时间，是目前人类不可能办到的。但是，未来的太空航行如使用“虫洞”，那么一瞬间就能到达宇宙中遥远的地方。
据猜测，宇宙中充斥着数以百万计的“虫洞”，但很少有直径超过10万千米的，而这个宽度正是太空飞船安全航行的最低要求。“负质量”的发现为利用“虫洞”创造了新的契机，可以使用它去扩大和稳定细小的“虫洞”。
虫洞的概念最初产生于对史瓦西解的研究中。物理学家在分析白洞解的时候，通过爱因斯坦的一个思想实验，发现宇宙时空自身可以不是平坦的。如果恒星形成了黑洞，那么时空在史瓦西半径，也就是视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中，这种结构就意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合，然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。而这个弯曲的视界，就叫做史瓦西喉，它就是一种特定的虫洞。
自从在史瓦西解中发现了虫洞，物理学家们就开始对虫洞的性质发生了兴趣。
虫洞连接黑洞和白洞，在黑洞与白洞之间传送物质。在这里，虫洞成为一个阿尔伯特·爱因斯坦－罗森桥，物质在黑洞的奇点处被完全瓦解为基本粒子，然后通过这个虫洞（即阿尔伯特·爱因斯坦－罗森桥）被传送到白洞并且被辐射出去。
物理学家一直认为，虫洞的引力过大，会毁灭所有进入它的东西，因此不可能用在宇宙旅行之上。但是，假设宇宙中有虫洞这种物质存在，那么就可以有一种说法：如果你于12：00站在虫洞的一端（入口），那你就会于12：00从虫洞的另一端（出口）出来。
虫洞有些什么性质呢？最主要的一个，是相对论中描述的，用来作为宇宙中的高速火车。但是，虫洞的第二个重要的性质，也就是量子理论告诉我们的东西又明确地告诉我们：虫洞不可能成为一个宇宙的高速火车。虫洞的存在，依赖于一种奇异的性质和物质，而这种奇异的性质，就是负能量。只有负能量才可以维持虫洞的存在，保持虫洞与外界时空的分解面持续打开。当然，狄拉克在芬克尔斯坦参照系的基础上，发现了参照系的选择可以帮助我们更容易或者难地来分析物理问题。同样的，负能量在狄拉克的另一个参照系中，是非常容易实现的，因为能量的表现形式和观测物体的速度有关。这个结论在膜规范理论中同样起到了十分重要的作用。根据参照系的不同，负能量是十分容易实现的。在物体以近光速接近虫洞的时候，在虫洞的周围的能量自然就成为负的。因而以接近光速的速度可以进入虫洞，而速度离光速太大，那么物体是无论如何也不可能进入虫洞的。这个也就是虫洞的特殊性质之一。
那么什么样的虫洞能成为可穿越虫洞呢？一个首要的条件就是它必须存在足够长的时间，不能够没等星际旅行家穿越就先消失。因此可穿越虫洞首先必须是足够稳定的。一个虫洞怎样才可以稳定存在呢？索恩和莫里斯经过研究发现了一个不太妙的结果，那就是在虫洞中必须存在某种能量为负的奇特物质！为什么会有这样的结论呢？那是因为物质进入虫洞时是向内汇聚的，而离开虫洞时则是向外飞散的，这种由汇聚变成飞散的过程意味着在虫洞的深处存在着某种排斥作用。由于普通物质的引力只能产生汇聚作用，只有负能量物质才能够产生这种排斥作用。因此，要想让虫洞成为星际旅行的通道，必须要有负能量的物质。索恩和莫里斯的这一结果是人们对可穿越虫洞进行研究的起点。(https://www.daowen.com)
人们在宏观世界里从未观测到任何负能量的物质。但是事实上，在物理学中人们通常把真空的能量定为零。所谓真空就是一无所有，而负能量意味着比一无所有的真空具有“更少”的物质，这在经典物理学中是近乎于自相矛盾的说法。
但是许多经典物理学做不到的事情在20世纪初随着量子理论的发展却变成了可能。负能量的存在很幸运地正是其中一个例子。在量子理论中，真空不再是一无所有，它具有极为复杂的结构，每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。1948年，荷兰物理学家卡什米尔研究了真空中两个平行导体板之间的这种虚粒子态，结果发现它们比普通的真空具有更少的能量，这表明在这两个平行导体板之间出现了负的能量密度！在此基础上他发现在这样的一对平行导体板之间存在一种微弱的相互作用。他的这一发现被称为卡什米尔效应。将近半个世纪后的1977年，物理学家们在实验上证实了这种微弱的相互作用，从而间接地为负能量的存在提供了证据。除了卡什米尔效应外，20世纪七八十年代以来，物理学家在其他一些研究领域也先后发现了负能量的存在。
因此，种种令人兴奋的研究都表明，宇宙中看来的确是存在负能量物质的。但不幸的是，迄今所知的所有这些负能量物质都是由量子效应产生的，因而数量极其微小。以卡什米尔效应为例，倘若平行板的间距为1米，它所产生的负能量的密度相当于在每十亿亿立方米的体积内才有一个（负质量的）基本粒子！而且间距越大负能量的密度就越小。其他量子效应所产生的负能量密度也大致相仿。因此在任何宏观尺度上由量子效应产生的负能量都是微乎其微的。
另一方面，物理学家们对维持一个可穿越虫洞所需要的负能量物质的数量也做了估算，结果发现虫洞的半径越大，所需要的负能量物质就越多。具体地说，为了维持一个半径为一千米的虫洞所需要的负能量物质的数量相当于整个太阳系的质量。
如果说负能量物质的存在给利用虫洞进行星际旅行带来了一丝希望，那么这些更具体的研究结果则给这种希望泼上了一盆无情的冷水。因为一方面迄今所知的所有产生负能量物质的效应都是量子效应，所产生的负能量物质即使用微观尺度来衡量也是极其微小的。另一方面维持任何宏观意义上的虫洞所需的负能量物质却是一个天文数字！这两者之间的巨大鸿沟无疑给建造虫洞的前景蒙上了浓重的阴影。
此外，虫洞的自然产生机制有两种：其一，是黑洞的强大引力能；其二，是克尔黑洞的快速旋转，其伦斯－梯林效应将黑洞周围的能层中的时空撕开一些小口子。这些小口子在引力能和旋转能的作用下被击穿，成为一些十分小的虫洞。这些虫洞在黑洞引力能的作用下，可以确定它们的出口在那里，但是现在还不可能完全完成，因为量子理论和相对论还没有完全结合。
总之，无论是在科学界还是在物理学方面，对于虫洞的研究还都处于一个初级阶段，我们对黑洞、白洞和虫洞的本质了解还很少，它们还是神秘的物质，很多问题仍需要进一步探讨。揭开虫洞的本质性问题是物理学家们需要努力研究的课题。
四、多米诺骨牌效应的探讨
多米诺骨牌是我们经常见到的游戏中的一种，但是，其中包含着一定的物理学方面的知识，我们对其中蕴含的奥秘是否十分了解呢？
多米诺骨牌是一种用木制、骨制或塑料制成的长方形骨牌。玩时将骨牌按一定间距排列成行，轻轻碰倒第一枚骨牌，其余的骨牌就会产生连锁反应，依次倒下。
多米诺效应所遵循的物理道理是：骨牌竖着时，重心较高，倒下时重心下降，倒下过程中，将其重力势能转化为动能，它倒在第二张牌上，这个动能就转移到第二张牌上，第二张牌将第一张牌转移来的动能和自己倒下过程中由本身具有的重力势能转化来的动能之和，再传到第三张牌上……所以每张牌倒下的时候，具有的动能都比前一块牌大，因此它们的速度一个比一个快，也就是说，它们依次推倒的能量一个比一个大。
哥伦比亚大学物理学家怀特海德曾经制作了一组骨牌，共13张。第一张最小，长9.53毫米，宽4.76毫米，厚1.19毫米，还不如小手指甲大。以后每张体扩大1.5倍，这个数据是按照一张骨牌倒下时能推倒一张1.5倍体积的骨牌而选定的。最大的第13张长61毫米，宽30.5毫米，厚7.6毫米，牌面大小接近于扑克牌，厚度相当于扑克牌的20倍。把这套骨牌按适当间距排好，轻轻推倒第一张，必然会波及到第13张。第13张骨牌倒下时释放的能量比第一张牌倒下时整整要扩大20多亿倍。因为多米诺骨牌效应的能量是按指数形式增长的。若推倒第一张骨牌要用0.024微焦，倒下的第13张骨牌释放的能量可达到51焦。可见多米诺骨牌效应产生的能量的确令人瞠目。不过怀特海德毕竟没有制作第32张骨牌，因为它将高达415米，两倍于纽约帝国大厦。如果真有人制作了这样的一套骨牌，那摩天大厦就会在一指之力下被轰然推倒！
类似多米诺骨牌效应的还有一则有趣的中国古代故事，《史记·楚世家》记载楚国有个边境城邑叫钟离，那里的小孩和吴国边境城邑卑梁的小孩同在边境上采桑叶争执起来，两家人都非常愤怒，互相攻伐，钟离人把那个卑梁人全家都杀了。
卑梁的守邑大夫大怒，说：“楚国人怎么敢攻打我的城邑？”
多米诺骨牌
卑梁守城的长官于是带领着大兵扫荡了钟离。楚王接了钟离遭失攻击的报告后，不问是非曲直，当即派兵攻占了卑梁。
吴王听到这件事后很生气，派人领兵入侵楚国的边境城邑，攻占钟离、居巢以后才离去，吴国和楚国因此发生了大规模的冲突，吴国公子光又率领军队在鸡父和楚国人交战，大败楚军，俘获了楚军的主帅潘子臣、小帷子以及陈国的大夫夏啮，又接着攻打郢都，俘虏了楚平王的夫人回国。
从边境小儿采桑，引发吴楚两国爆发大规模的战争，直到吴军攻入郢都，中间一系列的演变过程，似乎有一种无形的力量把事件一步步无可挽回地推入不可收拾的境地。这种现象，也就是多米诺骨牌效应。
那么，多米诺骨牌效应的起源由来是怎么回事呢？
提出多米诺骨牌效应，还要从宋朝开始说起。宋宣宗二年（1120年），民间出现了一种名叫“骨牌”的游戏。这种骨牌游戏在宋高宗时传入宫中，随后迅速在全国盛行。当时的骨牌多由牙骨制成，所以骨牌又有“牙牌”之称，民间则称之为“牌九”。
1849年8月16日，一位名叫多米诺的意大利传教士把这种骨牌带回了米兰。作为最珍贵的礼物，他把骨牌送给了小女儿。多米诺为了让更多的人玩上骨牌，制作了大量的木制骨牌，并发明了各种的玩法。不久，木制骨牌就迅速地在意大利及整个欧洲传播，骨牌游戏成了欧洲人的一项高雅运动。
后来，人们为了感谢多米诺给他们带来这么好的一项运动，就把这种骨牌游戏命名为“多米诺”。到19世纪，多米诺已经成为世界性的运动。在非奥运项目中，它是知名度最高、参加人数最多、扩展地域最广的体育运动。
从那以后，“多米诺”成为一种流行用语。在一个相互联系的系统中，一个很小的初始能量就可能产生一连串的连锁反应，人们就把它们称为“多米诺骨牌效应”或“多米诺效应”。
头上掉一根头发，很正常；再掉一根，也不用担心；还掉一根，仍旧不必忧虑……长此以往，一根根头发掉下去，最后秃头出现了。哲学上叫这种现象为“秃头论证”。
往一匹健壮的骏马身上放一根稻草，马毫无反应；再添加一根稻草，马还是丝毫没有感觉；又添加一根……一直往马儿身上添稻草，当最后一根轻飘飘的稻草放到了马身上后，骏马竟不堪重负瘫倒在地。这在社会研究学里，取名为“稻草原理”。
第一根头发的脱落，第一根稻草的出现，都只是无足轻重的变化。当是当这种趋势一旦出现，还只是停留在量变的程度，难以引起人们的重视。只有当它达到某个程度的时候，才会引起外界的注意，但一旦“量变”呈几何级数出现时，灾难性镜头就不可避免地出现了！
多米诺骨牌效应告诉我们：一个最小的力量能够引起的或许只是察觉不到的渐变，但是它所引发的却可能是翻天覆地的变化。这有点类似于蝴蝶效应，但是比蝴蝶效应更注重过程的发展与变化。
第一棵树的砍伐，最后导致了森林的消失；一日的荒废，可能是一生荒废的开始；第一场强权战争的出现，可能是使整个世界文明化为灰烬的力量。这些预言或许有些危言耸听，但是在未来我们可能不得不承认它们的准确性，或许我们唯一难以预见的是从第一块骨牌到最后一块骨牌的传递过程会有多久。
有些可预见的事件最终出现要经历一两个世纪的漫长时间，但它的变化已经从我们没有注意到的地方开始了。
由多米诺骨牌游戏引出的多米诺骨牌效应，多米诺效应的物理意义在现实生活中是十分有启发性和警戒性的，但是，这些也都得依赖于我们能够对多米诺骨牌的仔细研究才对其奥秘有更加深入地了解，相信，多米诺骨牌效应在今后的日常生活中也必将会被更加广泛地利用。
五、流沙成因的奥秘
流沙是造物主创造出的最恐怖的食人恶魔之一，它是一个天生的隐藏高手，它可能隐藏在任何一个地方，无论是河滨海岸还是邻家后院，都有可能是它的隐身之处，它在那里非常有耐心地静静等待人们不经意的靠近，从而找准机会张开大口将人吞掉。
在公元1692年时，牙买加的罗伊尔港口就曾发生过因地震导致土壤液化而形成流沙，最后造成1/3的城市消失、2 000人丧生的惨剧。看似平静的英国北海、美丽而危险的阿拉斯加峡湾等地也曾发生过流沙陷人的悲剧。一旦人们身陷其中，往往不能自拔，同伴只是爱莫能助，眼睁睁地看着受困者顷刻间被沙子吞噬。
流沙形成的原因
一直以来，人们以为流沙是由滚圆度良好的圆粒沙组成，沙粒间能互相辗转滚动，人踏在上面，由于受到重力作用，滚动的沙粒便转动着“让路”，人就往下陷；普通的沙地是由棱角状的沙子构成，这种沙子会互相嵌合，形成结实的地面。
然而，当科学家把两种沙放在显微镜下仔细对比时，这种说法又被推翻了，经观察发现流沙和普通沙子一样，也是由棱角状沙粒构成的。
流沙
有人认为可能是存在润滑液。因为如果沙粒表面果真有润滑液存在，沙粒之间的摩擦力较小，自然放置其上的物体也易于下陷。可是，人们在沙粒表面没有找到所谓的润滑液。
后来，一位科学家发现流沙在干旱季节也很坚实。这么说来，流沙必定与水有关。于是，他设计了几种不同的实验，让水以不同方式从沙内流过。结果发现：当水从沙下面往上注入沙内时，发生了流沙现象。
其实流沙是地下水涌入沙内引起的。由于，上流的水冲力，使沙粒互相散开，沙粒不再互相叠接，而是被水托着，呈半漂浮状态。在这种情况下，人或牲畜踩在沙面上，便会像在水中一样往下沉。
流沙表面受到运动干扰就会“液化”
荷兰阿姆斯特丹大学的柏恩在一次前往伊朗的度假旅行之中，遇见过一位当地牧羊人。牧羊人告诉柏恩，村里曾有骆驼陷下去后就立即消失。回国后，柏恩就对此疑团展开研究。他仔细观看和分析了数十部描述流沙噬人场景的电影，发现这些电影对流沙的描述根本就是错误百出。后来，柏恩在实验室里将细沙、黏土和盐水混合在一起，重建一个微型室内流沙模型来进行研究。
经过反复实验，柏恩领导的科研人员发现，要把沙子变得像太妃糖一样黏比较难，得需要好几天时间，但要让它失去黏性则很容易，只要在其表面施加适当的压力即可。一旦流沙表面受到运动干扰，就会迅速“液化”，表层的沙子会变得松松软软，浅层的沙子也会很快往下跑。这种迁徙运动使得在流沙上面运动的物体下沉，然而，随着下沉深度的增加，从上层经迁徙运动掉到底层的沙子和黏土逐渐聚合，便会创造出厚实的沉积层，使沙子的黏性快速增加，阻止了物体进一步下陷。
密度小于流沙的物体也会在流沙上受到浮力
研究还发现，当物体陷入流沙后，被流沙吞掉的速度要由物体本身的密度决定。流沙的密度一般是2克/毫升，而人的密度是1克/毫升。在这样的密度下，人类身体沉没于流沙之中不会有灭顶之灾，往往会沉到腰部就停止了。然而，即便是一些密度比流沙大很多的物体，也能浮在流沙上。研究人员将一个密度为2.7克/毫升的铝盆置于流沙的顶部，尽管其密度大于流沙，但由于受流沙浮力和沙面张力的影响，铝盆仍能平静地站在流沙的表面。当科学家开始轻轻晃动这个铝制容器时，情况发生了变化，容器稍稍下陷了一点，当他们用力摇晃时，这个容器慢慢沉入沙底。
将脚从流沙中拔出来需要抬起一辆汽车的力量
陷入流沙的人一般都动弹不了，密度增加以后的沙子粘在掉进流沙里的人体下半部，对人体形成很大的压力，让人很难使出力来。即使大力士也很难一下子把受困者从流沙中拖出来。如果以每秒钟1厘米的速度拖出受困者的一只脚就需要约10万牛顿的力，大约相当于举起一部中型汽车的力量。所以除非有吊车帮忙，否则很难一下子把掉进流沙的人拉出来。照这种力量计算，如果生拉硬扯，那么在流沙“放手”前，人的身体就已经被强大的力量扯成两截。此举所造成的危险远高于让他暂时停在流沙当中。
如何在流沙中进行自救
其实绝大多数流沙和一般沙的区别不大，并没有电影中描述的那么可怕，它原理上只是被渗入了水的沙子，由于沙粒间的摩擦力减小，形成了半液态、难以承重的沙水混合物。流沙通常发现于海岸附近，一般较浅，很少有超过几英尺深的。陷在流沙中的人仅感到胸部有些压力，呼吸较困难，并不会有什么生命危险。流沙附近上涨的潮水才是受困者最可怕的敌人。
如果陷入流沙后，大力挣扎或是猛蹬双腿只能加速黏土的沉积，增强流沙的黏性，胡乱挣扎只会越陷越深，最后让它吞掉。
对于流沙的研究我们还不是十分了解，期望随着科技的进步以及物理学的不断发展，流沙的成因必将揭开流沙形成的奥秘，终有一天我们会征服它，让它臣服于人类的管制之下，为人类服务。
六、虹吸与倒虹吸
其实虹吸和倒虹吸的现象在我们的生活中的很多地方都能够遇到，但是我们是否知道其中的原理，了解其中的奥秘呢？
虹吸
虹吸原理就是连通器的原理，加在密闭容器里液体上的压强，处处都相等。而虹吸管里灌满水，没有气，来水端水位高，出水口用手掌或其他物体封闭住。此时管内压强处处相等。一切安置好后，打开出水口，虽然两边的大气压相等，但是来水端的水位高，压强大，推动来水不断流出出水口。
虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力，水会由压力大的一边流向压力小的一边，直到两边的大气压力相等，容器内的水面变成相同的高度，水就会停止流动。利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。
虹吸管是人类的一种古老发明，早再公元前1世纪，就有人造出了一种奇特的虹吸管。
事实上，虹吸作用并不完全是由大气压力所产生的，在真空里也能产生虹吸现象。使液体向上升的力是液体间分子的内聚力。在发生虹吸现象时，由于管内往外流的液体比流入管子内的液体多，两边的重力不平衡，所以液体就会继续沿一个方向流动。在液体流入管子里，越往上压力就越低。如果液体上升的管子很高，压力会降低到使管内产生气泡（由空气或其他成分的气体构成），虹吸管的作用高度就是由气泡的生成而决定的。因为气泡会使液体断开，气泡两端的气体分子之间的作用力减至零，从而破坏了虹吸作用，因此管子一定要装满水。在正常的大气压下，虹吸管的作用比在真空时好，因为两边管口上所受到的大气压提高了整个虹吸管内部的压力。
我们现在所使用的抽水马桶就是利用了虹吸的原理制造而成的。抽水马桶的“抽水”是指大便器下面的S形弯，在排污时，马桶内的水面超过S弯的高点时，形成的虹吸现象，能够把大便器的水和污物一同抽走。一直到只剩下少量水时，虹吸破坏，留下的少量水形成了水封。
虹吸
倒虹吸
当水渠穿越道路等障碍时，利用连通器的原理，让水流在道路下面的封闭管道利用高差流过。这样流水和交通各行其道，互不干扰。因为这种管道像倒置的虹吸管，故称为“倒虹吸”。
用以输送渠道水流穿过河渠、溪谷、洼地、道路的压力管道。常用钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料制成，也有用混凝土、钢管制作的，主要根据承压水头、管径和材料供应情况选用。倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成。
根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管有下列几种布置形式：对高差不大的小倒虹吸管，常采用斜管式和竖井式。高差大的倒虹吸管，当跨越干谷或山沟时，管道一般沿地面敷设，在转弯和变坡地段设置镇墩，其作用是连接和稳定两侧管道。管道可埋设于地面以下，也可敷设于地面或在管身上填土。当管道跨越深谷或山洪沟时，可在深槽部分建桥，在其上铺设管道过河。管道在桥头两端山坡转弯处设镇墩，并于其上开设放水冲沙孔。两岸管道仍沿地面敷设。这类倒虹吸管又称桥式倒虹吸管。根据过水流量大小、运用要求及经济比较，倒虹吸管可布置成单管、双管或多管。设置双管或多管，可以轮流检修，不影响运行；小流量时，还可利用部分管路过水，以增加管内流速，防止泥沙在管中淤积。管身断面形式有圆形、矩形及城门洞形等，其中圆形采用较多。
倒虹吸管进口段一般包括渐变段、进水口、拦污栅、闸门、挡水墙等。对含沙量多的渠道，还可在进水口前加设沉沙池。为了渠道水位与管道入口水位在通过不同流量时良好衔接，可在管道进口前修建前池，或将管道进口底高程降低，并在管口前设斜坡段。出口段一般设消力池，用以调整出口流速分布。
倒虹吸管的设计包括：管路及进出口布置，管身及镇墩的形式选择，水力计算和结构设计。由于倒虹吸管检修较困难，在设计中应注意为检修创造条件。
倒虹吸管有悠久的历史。公元前180年在古希腊（今土耳其）帕加马曾建筑一座倒虹吸管，其下弯穿越河谷的深度超过200米，管径为30厘米。倒虹吸管在中国古代称为渴乌，公元186年在《后汉书》中已见记载。新中国建立后，修建了大量倒虹吸管，在结构形式、用材、施工方法和制管工艺上有不少发展。预应力钢筋混凝土管由于其承压较高，具有较高的抗裂性、抗渗性，故得到了推广。
你有没有注意过，在家里的洗手盆下面的下水管，必有一段是弯成U型的一部分，街道外的污水管下端也有一段这样的弯管。其实，使用这样的弯管并不是浪费材料，而是有一定的作用的，这种弯管利用的原理正是倒虹吸的原理。我们都知道，凡是家里的下水管都必将通到室外大的污水管或污水池，那里必然要排出难闻的臭气，这段弯管就解决了空气难闻的问题。下水管的弯曲部分相当于一个U型管，使每次的下水都能够保留一些水在U型管内，这部分U型弯管叫做水封，在水封的下游有一条十分重要的分支管，这条管道一直通到天台与大气连通，管内没有水。有了这个分支管，去水管的虹吸作用就不会发生，水封就不会被破坏。实际上，这支分管相当于倒虹吸管，起到了倒虹吸的作用。