随机性不存在啦？我们真的生活在一个巨大的虚拟世界里吗？ No407

  掷骰子、抛硬币 原子核裂变、微观粒子运动 计算机生成随机数 这样一个世界到底是不是”命中注定“？

  问答导航 1.量角器倾斜45度放下时为何会往后移动一段距离？ 2.视错觉的产生原因 如纳克方块? 3.既然元素由质子决定，是否我们大家可以通过改变质子数来制造或创造我们想要的元素? 4.电鳗会被电电死吗？ 5.请问，天气状况、抛硬币、原子核裂变、微观粒子的运动这些都是真随机吗。计算机产生的都是伪随机吗，什么是真随机，宇宙中是否存在线.一个人戴着戒指变胖了 如果要取下来，根据热胀冷缩，他是应该把手泡在热水里还是冷水里? 7.小行星带是太阳的环吗？因为知道木土天海有环，所以小朋友做了一个类比猜想，貌似好像也合理?不知道专业说法如何解释? 8.一根绳子从两端同时开始做频率相同的反向竖直振动，当这两列波到达中点时会互相抵消，这时候看起来速度为零，那这个时候的能量去哪了呢？Q1 量角器倾斜45度放下时为什么会往后移动一段距离？

  答： 这个问题我们可以用两个模型来解释： 我们考虑长杆倾倒情况。小伙伴们可以用手边的中性笔做实验。由于桌面一般比较光滑，因此我们首先考虑长杆在光滑水平面上的倾倒。此时由于杆只受到垂直方向的重力和支持力，因此在以某个角度以初速度为零释放时，整个杆在水平方向需要满足动量守恒。因此杆的质心A点应该没有水平位移，所以倒下后，A点应该到达A点，那么B点自然到达B点，由于桌面有摩擦，因此杆在躺平后不会无限向左移动。这就解释了为什么倾倒后量角器会向倾倒的反方向移动。 我们还可以考虑A4纸的倾倒。在纸张倾倒的过程中，纸会挤压倾倒面下的空气，使空气向倾倒的前方向排出，自然空气就会给纸张一个向前的力，导致纸张向倾倒的反方向运动。 量角器之所以容易观察到出现向后方移动的现象，可能是因为以上两种模型的叠加。 by opzk Q.E.D.Q2 视错觉的产生原因 如纳克方块?

  答： 视错觉是指由视觉系统引起的错觉，其特征是视觉感知到的图像和现实不符。通常有三类原因：物理错觉、生理错觉和认知错觉。例如光的折射让水中的筷子偏折属于物理错觉；生理错觉是由于视觉形成中的病理变化；而认知错觉则是我们无意识推理的结果，例如题目中的纳克方块就属于这个范畴。 为了理解这个世界，我们往往会无意识地将传入的视觉信息组织成为一个有意义的整体。纳克方块是一个由12条线组成的图形，我们观察到这个图像的第一反应往往是把它看成一个立方体，这样能够让我们更加迅速地接收信息和处理信息。 纳克方块 纳克方块产生的视错觉是存在两种观察方式，一种是从较高的位置将该图形看成透明立方体的俯视图，另一种是从较低的位置看立方体的仰视图。因此这个图形的诠释方式往往是模棱两可的 。然而正是因为这个特征也说明了人脑的神经系统能够处理图像的不同特征，并能处于两种特征互换的稳定状态。 参考资料： by 小线 既然元素由质子决定，是否我们能够最终靠改变质子数来制造或创造我们想要的元素?

  答： 当然可以，比如目前已经发现的118种元素中就有26种是通过人工改变质子数合成的。人们选择合适的粒子作为炮弹（弹核），经过加速器加速后轰击合适的靶（靶核），弹核与靶核熔合从而产生我们想要的元素（复合核）。 不过这种”加法“想要实现是非常困难的，它不仅需要将入射粒子加速到足够高的能量，还需要实验装置能够承受高温和高压环境。除此之外，当合成元素的质子数大到一定程度时，其产生复合核的概率（反应截面）会很小，产生的新核也不稳定，因此很难被探测器捕获到。由此可见，合成超重元素的路上仍然充斥着很多挑战。 by Sid Q.E.D.Q4 电鳗会被电电死吗？

  答： 一般来说，不会。 电鳗是功能最强大的电生鱼类，其大部分身体都由细胞（肌肉衍生的生物电池）组成，可提供高达600V的组合放电。对于肌肉细胞来说，当其处于静息状态时，其内部呈现负电。外部带正电。受到外界刺激后，钠离子通过细胞膜通道流入细胞内液，使得细胞膜内变为正电荷，同时细胞外液由于钠离子的流失和钾离子的流入受到限制，使得细胞膜外变为负电。 但是电鳗的尾巴两侧存在着一种特殊的由肌肉细胞特化而成的“电细胞”，这种细胞的一侧具有大量的“钠离子通路”，而在另一侧则没有这种通路，也就是说，钠离子只能“单向通行”，这样的结构就使电鳗的“电细胞”的两侧可以具备稳定的电压。虽然每个“电细胞”能够输出的电能很小（约150mV），但是电鳗的体内却存在着大量的“电细胞”，这些组织和肌肉由6000-10000个含有电斑组织的肌肉切片组成，切片之间有结缔组织。有许多神经穿过中枢神经系统，就像一个串联的小电池。电鳗可以通过自己的神经系统来控制放电的强度以及时间，当它全力放电的时候，体内几乎所有的“电细胞”都会参与其中，从而对外输出强大的电能（最高为850V）。 为了获得更加强大的放电能力，电鳗的重要器官全部都集中到了其身体前端的一小部分并且受到了绝缘性很高的结构保护，而电鳗身体后面的一大部分则分布着大量的“电细胞”，所在部位的组织结构又对电流具有较高的耐受。电鳗身体的电阻比水高得多，所以在电鳗放电的时候，其释放的电流就会优先通过电阻较小的水来传递，因此就算是电鳗遭到了自己的电击，也不会受到多大的伤害。而且电鳗放电前通常会伸直身体，让电流从尾巴的一侧流向另一侧，这样不容易电到自己的重要器官。当它将身体弯曲成 U 形放电时，头部也会稍微超出尾巴末端才能避免电到大脑。 参考资料： 李照鑫. 电鳗鱼神经传导原理诱导生物凝胶传感器的设计与性能研究[D].东北林业大学,2021. by 蓝多多 Q.E.D.Q5 请问，天气状况、抛硬币、原子核裂变、微观粒子的运动这些都是真随机吗?计算机产生的都是伪随机吗，什么是真随机，宇宙中是不是真的存在真随机?

  答： 真正的随机数序列是对一个均匀分布随机变量的一组抽样,其结果是不可预测的,序列中的每个数都是独立的,且服从均匀分布。而计算机算法生成的随机序列，其结果是确定的、可预测的，所以它并不是真正的随机数，而被称为“伪随机数”，常见的随机数生成算法有线性同余生成器、梅森旋转器等。 一般来说，真正的随机数是由物理现象产生的，比如抛硬币、核裂变、电子元件噪音等等，这些被认为是真正的随机数发生器。所以想要在计算机中产生真正的随机数还需要在硬件中想办法。比如1999年英特尔在其i810芯片组上集成了一枚真随机数生成器，它通过放大电路产生的热噪声将电路中分子不规则的热运动作为数据来源，这让计算机拥有了自主生成随机数的能力。 接着会有人质疑电路中分子不规则的热运动就一定是真正的随机过程吗？事实上,任何基于经典过程所产生的随机数本质上都不是真随机的,因为经典系统中的随机性都是“表面随机性”。所谓表面随机性,故名思议就是事件表面上看似具有随机性,而本质上并不是随机的,只是确定性事件的概率组合。它之所以表现出随机性,是因为观察者对系统整体运作机制的不完全了解。以抛硬币为例，当我们抛掷一枚硬币时,如果我们明确知道硬币抛出时的角度、速度、在空气中受到的风力、阻力及落地时地面的粗糙程度等所有外在影响因素,那么其落地的正反面结果完全可以根据力学规律推导出来,是确定的,而不再是随机的。 那么,我们有没有可能产生真正的随机数呢？随着量子力学的发展,人们在量子系统中找到了肯定的答案。研究表明,微观粒子的状态具有“内禀随机性”,其随机性不是因为缺乏对系统的了解而造成的,而是微观粒子固有的特性。利用这种内禀随机性,可以产生真正的随机数(或称为“内禀随机数”)。比如一个处于叠加状态的量子比特 当测量该量子比特时，每个比特0和1出现的概率相等均为1/2，同时每个比特与其它任何变量(包括该随机数中的其它比特和外部变量)都统计独立。这种等概率分布和独立性意味着量子系统产生的随机数可以满足我们对真随机数的要求。 于是又会有人开始质疑量子体系就一定完全的随机吗？其实这个问题等价于“宇宙中是否存在真随机”。这是一个物理哲学问题，信则有，不信就请举出反例来论证，迄今为止还没有人能明确地回答这个问题。 参考资料： 量子真随机数 by Sid Q.E.D.Q6 一个人戴着戒指变胖了 如果要取下来，根据热胀冷缩，他是应该把手泡在热水里还是冷水里?

  答： 笔者这里姑且认为是金戒指，金属的密度随温度变化关系可以通过热膨胀系数来理解，金属加热时，其晶格结构会因为原子振动的增强而发生膨胀，导致单位体积内的原子数目减少，从而使得密度降低。 但是金的热膨胀系数较小，在人体所能接受的温度范围下（烤成猪蹄的话，笔者只能说算你狠啦），金的体积不会有多大变化。所以可以把手泡在冰水里，但是时间也不宜过长，否则的话就会因为长时间浸泡变肿，也就是泡发了，更难取下。 by 蓝多多 Q.E.D.Q7 小行星带是太阳的环吗？因为知道木土天海有环，所以小朋友做了一个类比猜想，貌似好像也合理?不知道专业说法如何解释?

  答： 行星环，恒星环，就是指环绕行星和恒星的一圈天体物质。 从这个意义上来说，整个太阳系的天体都是绕着太阳转的，从小朋友的角度看，或许把水星，金星，地球，火星，小行星带，木星，土星，天王星，海王星等等全看成太阳的环好像也不是不行。 当然，天体物理学家通常是不认可的，因为“环”一般是用来描述从远处看，这些天体构成了一个准连续的环状物，而小行星带或者说整个太阳系中，两个天体之间的间隔很大，只能称为“带”而不是“环”。在恒星形成过程中，环绕着新生恒星的周围会产生吸积盘，也称“原恒星盘”，这是通常意义上的恒星环。 百闻不如一见，恒星环是指下图所示的样子: 阿塔卡玛毫米/亚毫米波阵列望远镜（ALMA）高分辨率观测到的恒星吸积盘 by opzk Q.E.D.Q8 一根绳子从两端同时开始做频率相同的反向竖直振动，当这两列波到达中点时会互相抵消，这时候看起来速度为零，那这样一个时间段的能量去哪了呢？

  答： 当两列频率相同、速度相同并且传播方向相反的波叠加时会形成驻波，在驻波的某些特定位置会出现波腹和波节。波腹是两列波振动方向相同，振幅相加的位置；波节是两列波振动方向相反，振幅相减的位置。驻波的波形固定不变，即波腹和波节的位置始终不变。 我们假设有这样两列波（请忽视笔者丑丑的图），他们的振动方程为 d为绳子的末端。 根据机械波的合振动能得出， 其中振幅A=2asin(kd/2-kx)，能够准确的看出振幅随位置的变化而改变，不再随时间变化，振幅最大的位置为波腹，振幅最小的位置为波节。驻波的相位fai=sin(wt+kd/2)与坐标无关，说明波不再沿着X轴传播，所以称为驻波。 驻波的能量分为两部分，一个是势能，一个是动能。动能和振幅的平方成正比，波节处质元始终没有动能，因为他的振幅为0，而形变最大，所以弹性势能最大，并且它的弹性势能做周期性变化。波腹处质元始终没有形变所以弹性势能为0，但是动能做周期性变化，能量以动能和势能的形式在波节与波腹之间来回传递。所以在中点两波相遇之时，波节处质元的动能转化为势能，并且从波节到波腹势能逐渐减小，动能逐渐增大 驻波的能量并未真正消失，而是不断地从一个地方转移到另一个地方。 by 蓝多多 Q.E.D.#投票