有什么现象是物理学家至今仍无法合理解释的?
这就很多了,我认为这个分为两种,
简单、常见的的现象,但其实科学并没有很好的解决。
少见、极端的现象,科学没有合理解释,或者至今认识不是很全面。
先说第一种,有些很原始的技术,完全靠我们的经验建立「唯像模型」,一样非常可靠。但深层次的科学原理,暂时解释不清楚。
比如:混凝土
在材料学上,我们仍然不知道混凝土配比、性能之间确却的因果关系。
我不是土木工程和材料学专业,只有引用别人的答案,网易有个专栏叫《了不起的中国制造》,就谈到过混泥土问题,有兴趣可以看一下:
第二种,我们在极端环境下观测到这种现象,由于经验太少,无法很好的解释。
比如:核聚变发电的电浆约束(plasma confinement):也即对高温高压的电浆(等离子体)进行约束,
我们常说物质有三态:气态、固态、流体态,其实还有和【等离子态】和【超临界态】等等,宇宙中物质九成是发热发光的恒星,恒星都是【等离子态】。
但是恒星是自然界的奇迹,是重力和核聚变反应两个力动态平衡的结果。
核聚变就是在地球上模拟太阳,让二者平衡,稳定、持续的释放热能,说简单一点就是让氢弹「慢慢的爆炸」。
太阳是依靠重力约束让其慢慢的爆炸,那在地球上怎么办?
这就涉及【电浆约束】,目前有两种方法:惯性约束聚变(inertial confinement fusion)和磁约束聚变(Magnetic confinement fusion),
比如美国的国家点火系统(NIF),用的是惯性约束聚变,而我们国家的人造太阳:EAST (Experimental Advanced SuperconductingTokamak),用的是苏联最先研究出来【托卡马克(Tokamak)】方式,是实现磁约束核聚变的一种方法。
【托卡马克(Tokamak)】磁约束被认为最有前途,但有两个难点需要攻克:
第一,材料学上需要找到能约束电浆的可靠经久耐用的材料,对抗中子的轰击,保护人类不受核辐射。
第二,电浆在核聚变炉内,呈现出一种流体状态,因为粒子数目太多,运动太过于复杂,我们现在只有一些很少的经验,但并不能准确预测电浆流体的运动。
我们知道电磁学(电动力学)核心是麦克斯韦方程组,但是,电浆(等离子体)太复杂了,跟气体一样,会产生「电浆湍流」,而「湍流」也是流体力学的一座无法攻克的大山,
所以,目前也找不到第一原理,也就无法推理、预测,无法构建公理系统,也就无法准确的预测因果关系,所以工程上无法应用。
但是,没有公理系统也不要紧,依靠经验建立【唯像模型】,在工程上一样很完美的应用。
但麻烦的是,电浆不是水或者气体,非常难以获得,非常不稳定的,这就增加了实验难度,难以获得数据。
说简单一点:气体「湍流」问题,可以建风洞模拟实验,所以,我们一样制造高速飞行的战斗机。
而【唯像模型】的建立就是要不停的试错积累数据,电浆几千万度的温度,你怎么建【电浆风洞】?所以电浆实验成本非常之高,而且持续的时间又短,你怎么获得大量的经验和数据?
这门学科叫做:电浆流体力学或者叫电磁流体力学(electromagnetohydrodynamics)
所以,目前不断提高聚变的时间,就是为了获得电浆流体力学的数据,建立一个可靠的模型,从而更好的控制电浆。
就算这一步实现了,但是,没有炉子也是完全白搭呀!
材料学上怎么办?说简单一点,你能控制【煤炭】,炉子呢?用什么材料造?核电站一运行几年几十年,什么材料能够抵挡【太阳】?用什么材料保护人类免受核辐射?
所以,目前核聚变几乎是毫无进展,美国【点火计划】以后,几乎已经放弃了,没怎么投钱了,而是拉日本、欧洲小伙伴一起背锅。核聚变其实还有很长的路要走,也许永远不能实现。翅膀和起重力。
人类发明飞机已经一百多年了,人们认为,飞机机翼的原理早在老旧尘封的20世纪20年代的流体力学书本中就已经给出了完整的解释。但其实并不是这样的。“起重力”仍是一个热门话题,甚至还是一个存在争议的话题,时至今日,仍有很多这方面的新想法、新论文在学术期刊上发表。
为什么?
原因很简单:首先,我们不了解紊流。3D飞机中的起重力是一个基础非线性湍流数学的例子。真正的飞机通过涡流飞行,而涡流的产生在数学上是一个难题。
第二,人们对起重力的误解很显然是由空气动力学之父普兰特开始的。普兰特博士错误地将翼尖旋涡看作是一种不必要的物体。他认为,如果我们可以解释一个无限宽的机翼,那么我们就可以解释飞行是怎么回事了。可其实无限宽的机翼不会产生涡度,因为它没有翼尖!普兰特也想当然地认为,由机翼分开的空气包必须在机翼的后缘重新汇合。
普兰特将这种观点的细节发表在了20世纪20年代著名的期刊上,在整个空气动力学领域广为流传。自从有了互联网,这些误解才受到攻击,直到今天,其中的一个被称为“平等过境谬论”,被美国航空航天局和其他网站揭露了。
不幸的是,每当分割的空气包在机翼后缘重新汇合时,机翼的起重力必须总是恰好调整为零。这是真的,因为每当机翼的净“流通”为零时,这些空气包才会重新汇合。而且,普兰特还试图通过建立二维机翼,或创造无限宽机翼来摆脱翼型的流动。
不幸的是,3D飞机的起重力是基于流出的涡流。无限宽度、没有翼尖涡流的机翼实际上是文丘里效应的一个例子,而这并没有描述真正的飞机到底如何飞行。这种无限翼文丘里效应与“地面效应”或“翼地效应”相同,对于高空飞行的3D飞机几乎没有影响。
第三,直到二十世纪九十年代中期,我们仍然不知道大黄蜂到底怎么能飞的。也不知道飞蛾,蝴蝶,或是扑翼机等是怎么飞的。理论计算得出的力与昆虫飞行中的实际测量的力并不相符。没有纳维-斯托克斯方程的一般解决办法。所以目前,一般的处理办法都是基于数字与电脑模拟构建出“人造风洞”。然而即使这样,依然没有提供与昆虫飞行情况相符的答案。哪怕建造新的风洞,也不能保证会有新的发现,无论我们做得多完美都没用。
随后,在20世纪90年代,利兹大学有了一个新发现,发现者将一个“人造天蛾”沉入水中。在扑翼飞行期间,一个全新的、从未发现的前沿涡流产生了。这正是昆虫飞行中大部分缺失的力量。但与此同时,权威人士和流行作家也悄悄地昭示了“我们不理解大黄蜂飞行原理”的观点,他们确信,这个问题只是一个神话。他们都错了,我们真的没有理解。这个突破发生在20世纪90年代。你发现没有:它是有争议的。每当我们不了解一个事物,就会引用一些专家的观点,来掩盖我们自己的尴尬。
这个“天蛾发现”当然没有结束研究。目前,我们还没有一个简单的基本解释,来解释飞行中的3D机翼涡流脱落产生的起重力。正如爱因斯坦所说:“一个理论,如果你不能跟你的祖母解释明白,那就说明你还是不够了解这个理论。”
比如说,有一篇很有争议的文章,它试图解释以流体泵、不对称的下流和“勺翼”为基础的飞行过程。还是这两位作者,他们还发表了一本入门级空气动力学教科书。在几乎其他所有教科书中,都存在很多广为流传的误解,但在他们的书里并没有。毕竟,每当你看到一个翼型截面的二维流程图时,这只是在解释一个地面效应机器。