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日志

刻舟求鱼之测不准原理

已有 3987 次阅读2016-12-20 15:03 |个人分类:科普|系统分类:教育

清华物理系的文克玲看了我的刻舟求鱼(配图)》《刻舟求鱼之蛮力计算 (配图)》之后,提出了一个尖锐的意见
如果水的阻力与速度成正比,那么速度随时间的变化为:


虽然是指数衰减,但是永远大于零,从理论上小船永远停不下来。加入 速度平方项当然改变不了这个基本的结果。于是文大胆的假设

[ix]f(v) = -a_0 -\sum_1^\infty a_n \ v^n[/ix]

并且从小船必须在有限时间完全停下、一切归于沉寂这个条件,他推论 a0 >0 ,并称之为“静摩擦”。

对此,我的回应是 f(0) = - a0 。由于 a0 是向量,根据旋转对称性(或者说空间没有特殊方向), a0 肯定为零 。不过我不否认可能有“滑动摩擦”

[ix]f_0(v) = a_0\ \theta (|v|) \ \hat{v}[/ix]

\theta 是阶梯函数,戴帽子的 v 是单位向量。

不过这个看起来也很牵强。STOKES 曾经严格计算了完美球体在粘滞液体中的运动,其受到的阻力就是与速度成正比,并没有这样的滑动摩擦项。

船停不下来。怎么办?

其实,换个思维想想看,船为什么一定要停下来呢?海森堡年纪轻轻就断然打碎了这个必须停下的条条框框。那时他小伙子才20来岁,断言物体就是停不下来。很多老物理学家当然反对,但海森堡说他们老了,思想不转了。现在我们知道海森堡的物理是对的,但有时候不提示就是想不起来。

根据测不准原理,如果船完全停下来了,就是位置完全确定,那其动量就完全不确定,既然动量不确定,船就在动。所以,船是不可能停下来的。而是会有个零点运动。这个零点运动可是实实在在的。现在我们可以计算一下船的零点动量。这就需要一个尺度L。船在湖中,风平浪静,尺度L就是湖的大小。船的最大波长为 2L 。

船的零点“动量”根据德布罗意关系为

[ix]p_f= h/2L[/ix]

速度为 

[ix]v_f =\frac{h}{2L m}[/ix]

船速减低到这个大小就开始模糊了。代入上面的公式

[ix]\frac{h}{2L m} = {v_0} e^{-\frac{k}{m}t}[/ix]

解出:

[ix]t_f = \frac{m}{k} \ \ln \frac{2v_0 m L}{h}[/ix]

如果初始速度为 10米每秒,质量1000 kg, L一公里,代入普朗克常数,算出后面这个对数为 93.






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