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      月亮的“在軌壽命”有多久? | No.43

       博浪椎 2017-02-10
       

      月圓,

      人圓,

      事事圓滿!

      花好,

      燈好,

      好事連連!

      物理所全體小編 預(yù)祝您:

      元宵節(jié)快樂!



      1


      Q

      請問冬天湖中的水是從湖中央開始結(jié)冰還是湖邊開始結(jié)冰?為什么?

      By 德健博 

      A

      湖水結(jié)冰是放熱凝固的現(xiàn)象,當(dāng)湖水溫度降到0以下時就會結(jié)冰,那么何處的湖水先結(jié)冰取決于誰的降溫速率較快。我們知道水的比熱容相比于陸地而言較大,那么當(dāng)氣溫逐漸下降時,水降溫比陸地要慢,所以與陸地相連的湖邊的水會向陸地不斷放熱,相對而言其溫度下降的更快,所以湖水是從湖邊開始結(jié)冰的。

      (這里還有一個有意思的小問題可以考考讀者:湖水為什么是從湖面開始結(jié)冰而不是湖底呢?小提示:這與水的另一物理性質(zhì)“反常膨脹”有關(guān)~


      2
      Q

      小編你覺得用速度合成來解釋相對論效應(yīng)靠譜不?也就是說物質(zhì)都是以光速c在時空運(yùn)動的,在空間方向地分速度變大會引起時間方向地分速度減小。

      By Eli Doer

      A

      哇,這位同學(xué),你是不是自己想出來的?的確可以這么考慮。相對論中一切質(zhì)點(diǎn)的四維速度的模均為光速c,不論其質(zhì)量是否為零。不過四維矢量模值求法和一般的歐氏空間中矢量的模值求法不同,和度規(guī)張量有關(guān),不能簡單地用平行四邊形法則。

      這里有一個與之相關(guān)的內(nèi)容,如果我們建立一個(x,y,z,ict)的四維空間,我們可以發(fā)現(xiàn),其實(shí)洛倫茲變換就是(x,ict)平面上的轉(zhuǎn)角公式。


      3
      Q

      為什么超過音速會產(chǎn)生音爆呢?只是超過為什么會有那種轟鳴聲?同理,超過光速(比如在介質(zhì)中)會產(chǎn)生'光爆'嗎?切連科夫輻射

      By 太空漫步的喵

      A

      當(dāng)物體在空氣中運(yùn)動時,它實(shí)際上會擠壓在其前方的空氣,形成所謂的激波。激波以聲速在空氣內(nèi)傳播,當(dāng)物體的運(yùn)動速度超過聲速時,這部分被壓縮的空氣就會在物體運(yùn)動前方堆積,產(chǎn)生極大的阻力。至于音爆,這是由于物體運(yùn)動時產(chǎn)生激波的波前會分布在一個圓錐面上,稱為馬赫錐,在這個錐面上空氣的壓強(qiáng)、密度等參數(shù)都會有很大變化,當(dāng)激波面穿過人耳時,耳朵的鼓膜會感受到這種壓強(qiáng)的變化,因而會聽到巨大的轟鳴聲。事實(shí)上,在介質(zhì)中,帶電粒子的速度超過介質(zhì)中光速,也會產(chǎn)生類似的現(xiàn)象,這就是切連科夫輻射。


      4
      Q

      直角三角形邊長問題:我們知道勾股定理直角三條邊是整數(shù),但是比如直角邊長為1cm,2cm的三角形,它的斜邊應(yīng)該是一個無限不循環(huán)數(shù),意味著這條邊長度不能準(zhǔn)確表示,可是實(shí)際的邊應(yīng)該是一個確定的長度值,這兩者的矛盾是怎么產(chǎn)生的?怎么解決?

      By 科學(xué)粉絲

      A

      題主所問的問題如果在2500多年前,我們牛B的畢達(dá)哥拉斯同學(xué)都要給跪了!沒錯,就是發(fā)現(xiàn)勾股定理的那個神人。當(dāng)然神人也會犯錯誤。從幾何直觀上講,這個斜邊必然是一個確定的值,但是沒辦法用有限小數(shù)或循環(huán)小數(shù)表示。畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為,凡是數(shù)都可以表示成兩個整數(shù)的比(有理數(shù),rational number,說到這個英文很多同學(xué)認(rèn)為“有理”和有道理有關(guān)系,其實(shí)這個詞的詞根是ratio,意為可比的),也就可以表示為有限或循環(huán)小數(shù)。那么問題來了,邊長為1的正方形對角線的長度是多少呢?畢同學(xué)沒有答案,是他的弟子希帕索斯發(fā)現(xiàn)這個數(shù)并不能表示成兩個整數(shù)之比,后來這種數(shù)被稱為無理數(shù),由此拉開了第一次數(shù)學(xué)危機(jī)的序幕。這個發(fā)現(xiàn)讓畢達(dá)哥拉斯學(xué)派十分緊張,他們開除了畢達(dá)哥拉斯,并且對這個問題置之不理。后來希帕索斯在流亡的一艘船上遇到了畢氏學(xué)派的門徒,他就這樣被當(dāng)成異端被丟到了海里。

      那么我們來看一下為什么題主問題中的斜邊不是一個有理數(shù),假設(shè)它能表示成兩個整數(shù)的比,即p/q,p、q互質(zhì),否則可約分而達(dá)到互質(zhì)。由勾股定理可知,(p/q)^2=5即p^2=5q^2;可知p中必含有因子5,否則p^2中不可能含有因子5;可設(shè)p=5n,則q^2=5n^2;可知q含有因子5,而這和p、q互質(zhì)矛盾,所以斜邊不是有理數(shù)。雖然其不是一個有理數(shù),但是這不意味著它不是一個確定的值。

      無理數(shù)的公理化定義在1872年由戴德金完成,他通過對有理數(shù)域的分割,由分割點(diǎn)對兩個集合造成的影響而定義無理數(shù)和有理數(shù),也就是著名的“戴德金分割”。至此,第一次數(shù)學(xué)危機(jī)才算是圓滿解決。關(guān)于戴德金分割就不展開說了,有興趣的同學(xué)可以看看這本書《數(shù)學(xué)悖論與三次數(shù)學(xué)危機(jī)》。


      5
      Q

      我們是怎樣確定宇宙中的天體的位置?幾億光年遠(yuǎn)的天體的大致情況是怎么知道的?

      By 栗梓

      A

      要確定一個天體的位置,我們需要了解它相對于我們的方位和距離。描述方位有很多方法,常見的比如赤道坐標(biāo)系,想象有一個包圍地球的天球,然后把天體投影到球面上,用類似于地球上的經(jīng)、緯度的概念給出天體在球面上的坐標(biāo)。對于距離的測量,很古老傳統(tǒng)的方法是三角視差法,地球在繞太陽公轉(zhuǎn)時,待測天體在天球上的位置在半年內(nèi)會有一個角度變化,如果我們另外知道了地球的公轉(zhuǎn)半徑,就可以利用簡單的幾何關(guān)系測出天體的距離。對于更遙遠(yuǎn)的天體,可以利用超新星測距。對于一類Ia型超新星,它的光度是恒定的,所以可以被用作標(biāo)準(zhǔn)燭光,利用觀測到的亮度就可以換算出離我們的距離,所以它可以作為宇宙中距離的參照物。2011年諾貝爾物理學(xué)獎就是授予了利用超新星測距發(fā)現(xiàn)宇宙加速膨脹三位科學(xué)家。當(dāng)然還有很多其他的測距方法,這里就不再一一敘述了。


      6
      Q

      請問那個新的星星是怎么形成的?宇宙不應(yīng)該傾向于熵增來演變的嗎?(難道說是引力把塵埃吸在一起?【捂臉】)

      By upogg

      A

      新的星星也就是指新的恒星吧。星際空間中充滿了星際介質(zhì),而且星際介質(zhì)的分布很不均勻,就如銀河系來說,大約一半的星際介質(zhì)集中在2%的星際空間,這些相對致密的區(qū)域稱為星際云。在星際云的最致密的核心區(qū),分子可以存活,這些暗云被稱為分子云,新的恒星就起源于此。當(dāng)分子云變得足夠致密,質(zhì)量足夠大且溫度足夠低(使得壓力足夠低),自引力大于壓力的時候,分子云就會發(fā)生坍縮,因?yàn)榉肿釉泼芏确植疾痪鶆?,較致密的區(qū)域比其他區(qū)域坍縮得更快,就會裂變成很多分子云核,尺度數(shù)光月的分子云核就是恒星形成的種子。分子云核中心坍縮比外層坍縮快,中心與外層分離,由里到外一層接著一層自由落體坍縮,角動量守恒使得下落物質(zhì)形成吸積盤,吸積盤供養(yǎng)中心正在成長的原恒星。質(zhì)量約在0.08~100倍太陽質(zhì)量的原恒星再經(jīng)過一系列演化就會成為為主序星(太陽就是一顆主序星)。至于宇宙演化的方向問題,不太嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f,分子云在坍縮成原恒星的過程中,本身熵的確是減少了,但它還會不斷的向外輻射能量,外部的熵增加了。更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f,對于自引力系統(tǒng),可以推出其無法達(dá)到平衡態(tài)(整個宇宙就是一個自引力系統(tǒng)),故熱力學(xué)不適用,也就談不上熵增原理。


      7
      Q

      我們知道人造衛(wèi)星都有在軌壽命,不維護(hù)會掉下來;那地球的天然衛(wèi)星月球,是否也有在軌壽命?

      By 那一片山那一片海

      A

      人造衛(wèi)星有一定的在軌壽命是因?yàn)樗鼤r刻受到地球大氣產(chǎn)生的阻力,從而使其軌道下降最終落入大氣層。因此,一般軌道越高的衛(wèi)星在軌壽命越長(當(dāng)然也與衛(wèi)星的形狀有關(guān))。如果衛(wèi)星攜帶有足夠的燃料,能夠在衛(wèi)星不斷損失能量時不斷補(bǔ)充,那么就可以使衛(wèi)星一直待在軌道上。比如國際空間站就是一個例子,經(jīng)常會有貨運(yùn)飛船為它補(bǔ)充燃料以幫助其軌道高度而不至于墜入大氣。當(dāng)然國際空間站最終還是會墜入大氣。

      然而,對月球這樣的衛(wèi)星,由于其軌道高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的人造衛(wèi)星,因此在月球幾乎不會受到地球大氣阻力的影響。而且影響月球軌道的主要因素也不再是地球的大氣,而是受到地球上潮汐的影響。在月球引力的作用下,地球上有了潮汐。但又由于地球自轉(zhuǎn)速度大于月球公轉(zhuǎn)速度,因此地球上的漲潮的地點(diǎn)要超前于月球的位置。這會對月球的軌道運(yùn)動產(chǎn)生一個力矩,向前推月球,同時使地球自轉(zhuǎn)減速。在這一效應(yīng)的影響下,月球軌道不但不會下降,反而會以大約每年四厘米的速度遠(yuǎn)離地球。也就是說,過去月球離我們更近,而且地球自轉(zhuǎn)更快。按照這樣的趨勢下去,地球自轉(zhuǎn)將會與月球繞地球的公轉(zhuǎn)同步。因此可以認(rèn)為月球的軌道壽命幾乎是無限長的(不考慮太陽死亡之后的事情)。


      8
      Q

      量子場論中真空中仍有能量,也就是零點(diǎn)能,為什么?

      By Quantum

      A

      量子場論中預(yù)言了所有玻色子與費(fèi)米子都有對應(yīng)的基態(tài)能量,也就是問題所提到的真空所擁有的能量。假如真空中我們不放入任何的粒子,真空不會含有任何能量。因?yàn)樗褪羌兇獾恼婵?,空無一物,空乏無味。但是我們的世界精彩多了,“它”創(chuàng)造了壯麗非凡的繁星以及誕生了種類繁多的生命形式。無論這些物質(zhì)的形態(tài)如何,它們都是由最基本的粒子構(gòu)成的。因此我們所存在世界的真空并不空。它其實(shí)充滿著“表現(xiàn)”這些粒子的場,正是這些場的激發(fā)創(chuàng)造了基本粒子(構(gòu)成我們世界基本組分的粒子)。而場的激發(fā)可以類比于海洋表面的波動。而量子場是不平靜的,因?yàn)槟銦o法知道場確定位置的具體波動狀態(tài)(也就是不確定性原理)。因此這種源于量子力學(xué)基本原理的量子漲落會產(chǎn)生一個絕對的零點(diǎn)能,也就是場存在于真空所擁有的最小能量(當(dāng)然,嚴(yán)格地說是最小的能量密度。因?yàn)檎婵帐菦]有邊界的。因此體積是發(fā)散的)。因此真空中的零點(diǎn)能完全是量子效應(yīng)引起的不可消去的絕對的能量。而如今觀測的宇宙正在加速膨脹,現(xiàn)今的理論解釋是在愛因斯坦場方程中引入宇宙常數(shù)項(xiàng)。宇宙常數(shù)所代表的物理意義就是真空的能量,但是十分不幸的是觀測的值量級是10-15J/cm3,而量子場論粗略估計(jì)的是普朗克能標(biāo)下真空能對應(yīng)的值10105J/cm3 。它們整整差了120個數(shù)量級!所以真空能的本質(zhì)是什么?以及它產(chǎn)生的機(jī)制又是什么?這都是現(xiàn)今懸而未決的問題。



      本期答題團(tuán)隊(duì):

      物理所、清華 物理系41的同學(xué)、北理工 文卿、大化所 J.Baker




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