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人类现在或未来有可能飞到宇宙边缘吗

2023/2/26 15:56:02 来源:中科院物理所 作者:Frions 责编:梦泽

Q1、想问一个小朋友提出的,家里大人又答不出的问题,为什么南半球的人不是头朝下走路?

by 李轲

答:

如果我们把视野放在宇宙中,从月球上看地球,那么如何定义“上”和“下”呢?

我们会发现地球是一个球形,对于地球来说没有所谓的上下,从各个方向来来说都是一样的。而对于地球上的人来说,由于受到地球的引力作用,头上是天空,脚底是大地,所以有了上下的感觉,所以南半球北半球都是脚踏大地即为下。

在空间站中,由于失重的原因,所以宇航员们没有上下的概念,但是为了跟地球上保持一致,一般会使航天器底部为下,给仪表盘按统一方向设置。

by 岷客

Q2、为什么人在围墙上走要把两臂张开?这个和走钢丝时使用长杆子有什么异同吗?

by lover

答:

人在围墙上张开双臂,是为了防止重心偏移导致跌落,这跟走钢丝时使用长杆子是基本相同的道理。

当我们在较为狭窄的墙面上行走时,我们的重心是很容易偏出墙外的。当我们的中心在墙外时,以过支撑腿与墙面接触点的直线为轴做力矩分析的话,我们可以看出此时墙体对人体支撑力的力矩为 0,而重力由于重心偏出墙面会产生净力矩,这样人体由于力矩不守恒,就会向重心偏移的方向倒下。而当我们张开双臂时,我们可以通过调整双臂的位置来调整人体所受力矩。例如,当我们感觉身体的重心过于偏右时,我们可以将左臂展开,通过左臂的重量来调节自身整体的重心位置,使重心重新回到墙面范围内,如图所示,这样所受的和力矩为零,人就不会失去平衡倒下了。

by 单身男青年

Q3、相比于其他位置的水面,为什么过河桥的桥墩周边在冬天不容易结冰?

by 赵越

答:

流动的水面不易结冰,并非因为流动使水的凝固点降低。平衡态下物质同时具有最大化熵和最小化内能两种趋势,而液体的凝固正来源于能量与熵的竞争:高温下,熵占据主导地位,分子排列混乱从而具有更高无序度的液相稳定,而低温下,能量占据主要地位,分子排列有序从而具有更低内能的固相稳定。因此,在温度降低至凝固点时,平衡相就会从液相向固相转变,也即发生凝固。由此可见,凝固点决定于物质的微观组成和相互作用,和宏观尺度的流动几乎无关。

流动的水面不易结冰,也并非是因为液体的动能通过内摩擦转化为了内能。物质的微观热运动速度比宏观大得多,因此一般情况下宏观动能相比于内能变化微乎其微。可以估算,1 千克水以 10 米 / 秒高速流动,其动能完全转化为内能,放出的热量若完全被自己吸收,只能使温度升高不到 0.1℃;若放出的热量完全转移至冰面,只能融化不到 0.2g 的冰。因此,要用水的动能阻止结冰,可以说是杯水车薪。

然而在生活中,常观察到河面大部分已经封冻,然而桥墩等处依然有流动的水面。这一现象主要由两个原因引起。首先,桥墩处的水深通常比较大,周围环境温度低于冰点时,是河岸附近较浅的水域率先降温至冰点以下,因而结冰也通常从河岸开始。其次,即使同样位于河心,桥墩附近等水流湍急的位置依然更难结冰,这是因为在这些位置,水体内部的热交换除传导外,还有较强的强迫对流,使得水面和水底的热交换效率大大提高,各个深度几乎具有相同的温度。因此,在水流湍急处结冰,就需要从水面到水底,均降至凝固点以下,这无疑使得结冰更加困难。

by 乐在心中

Q4、红酒杯壁为什么会向上涌透明液体?

by 竹花萧

答:

这是红酒的眼泪呀!

这种现象其实最早是英国物理学家詹姆斯・汤姆森(James Thomson)关注的,他在 1855 年的时候发表了一篇论文《在葡萄酒和其他酒类表面观察到的一些奇特运动》,初步判定这是一种由表面张力引起的现象。之后,意大利物理学博士卡罗・马兰戈尼(Carlo Marangoni)又进一步解释了这种现象,被称为马兰戈尼效应。

马兰戈尼效应就是当两相的界面存在表面张力差异的时候,从而会出现质量的传送现象。表面张力大的液体对周围表面张力小的液体拉力强,使得液体从张力低的地方向张力高的地方流动。

酒在表面张力的作用下在杯壁上爬升,但是酒精更容易挥发,所以当酒精挥发后,水的表面张力比酒精大,酒杯中的液体就向这杯壁上转移,但是又在重力的作用下下坠,于是就形成了酒泪,又叫挂壁。

由于葡萄酒还有残糖和甘油,这些粘性物质也会影响到酒泪的密度和下滑速度,所以酒泪不能用作判断酒质的高低。酒质还是要通过香气的丰富度和复杂度,色泽的优雅性,余韵的持续性来判断。

参考资料:

  • 理解马兰戈尼效应

  • 李记明.正确认识挂杯现象 [J]. 中国酒,2012 (5):2.

by 岷客

Q5、坐高铁的时候发现有些铁轨是没有中间的枕木的,这是为什么?那既然可以没有,枕木的意义是什么?

by 武昌开国公

答:

说的应该是无砟轨道吧。

无砟轨道(nonballasted-track)是指采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构,又称作无碴轨道。这里的砟就是传统铁路上的小石块。

传统的轨道,也就是有砟轨道,钢轨就放在题目中提到的枕木上,枕木再铺在路砟上。枕木和路砟具有一定弹性,主要作用是增大钢轨的受力面积,承担并分散来自钢轨的压力,此外,还可以减噪、减震。但有砟轨道在列车荷载反复作用下,轨道的残余变形积累很快,并且沿轨道纵向分布很不均匀,会导致轨道高低不平顺,影响旅客乘坐的舒适性,增大轨道养护维修的工作量。

无砟轨道则通常是为了高速铁路准备的,可以说是一种更先进的铁路技术。不过需要注意,国外高速铁路的运行经验和试验研究表明,列车速度达到 300km / h 时,有砟轨道仍能保证列车的安全运行。无砟轨道的轨枕是由钢筋混凝土浇筑成的,钢轨直接铺在混凝土轨枕上,靠扣件等机构减震减压。

相比于有砟轨道,无砟轨道稳定性好,维护保养工作量减少 50% 以上,耐久性好,服务期长,在隧道地铁中开挖面积小,结构高度低,自重也轻,可以减少隧道净空。但无砟轨道初期投资比较大,一旦基础变形下沉,修复比有砟轨道更困难,不能在粘土深路堑、松软土路堤或地震区域铺设,在任何情况下都要铺设防冻层。因此,铺设铁轨还是要因地制宜。

参考资料:

  • 【铁道知识・运输】高速铁路轨道结构(二)—— 无砟轨道

  • 干货!无砟轨道的结构、分类、应用、优缺点分析

by 霜白

Q6、无线电收信机如何接受不同频率的电磁波?

by 佚名

答:

靠天线! 大家可以看一看自己家的 wifi 路由器,竖起来的几根“棍子”就是天线。

看下面的图

图片来源参考资料

天线本质上就是个变换器,它会捕捉附近空间的电磁波,然后把这些电磁波转化成导行波。对于电磁波的大家应该不陌生了吧,它是由电场与磁场在空间中相互震荡产生的交变电磁场,以波动的形式传播。电场与磁场相互垂直,传播方向垂直于电场与磁场组成的平面。

电磁波示意图 | 维基百科

而对于导行波大家可能了解的不多,我们可以这样理解它:是一种电磁波的传输模式,在导波系统(能够传播电磁波的系统)中存在电磁场的特殊结构形式。我们可以根据导行波中是否存在纵向场分量进行分类:TEM 波(横电磁波),TE 波(横电波),TM(横磁波)。如果大家想继续了解这方面的知识可以去看参考资料以及去看电动力学的书籍,在这里我就不赘述了。

那么天线把电磁波都接收了,那无线电收信机怎么辨别这些不同频率呢?这就要用到电路知识。

无线收信系统 | 参考资料

电路接受电磁波会进行选频,然后经变频、放大,最后解调出基带信号。对于选频,原理简单点说就是电路中的电容和电感在充放电的过程中会形成谐振(共振)现象,而这个谐振现象的频率会由于电路中的电容和电感的“大小”而不同,我们可以改变电路中的电容和电感来选择不同的频率。大家见过以前手动拧按钮选择不同电视信号的电视吗?这个手动拧按钮的过程就是选频的过程~ 现在大家应该明白无线电收信机的工作原理了吧!

参考资料:

  • 臧义平.滤波天线及其频率可重构技术的研究 [D].西安电子科技大学,2021.

by just iu

Q7、什么是光压?光压对彗星有什么作用吗?

by 千厘

答:

光压的概念早在伽利略解释彗星尾巴形成的时候就已经提出:彗星的尘埃和气体分子在太阳辐射的作用下,指向太阳的反方向。光压就是指光产生的压力。麦克斯韦根据经典电磁学理论指出了光压的存在,并且证明,光入射到完全吸收体上产生的光压是入射到完全反射体上光压的一半。

列别捷夫测量光压的实验装置 | 图片来源光压理论基础

后来由列别捷夫首先测量了光压。他所用仪器的主要部分是一用细线悬挂起来的极轻的悬体 R,其上固定有小翼 a 及 b,其中一个涂黑,另一个是光亮的。将悬体 R 置于如图 2 所示的真空容器 G 内。借助透镜及平面镜系统将由弧光灯 B 发出的光线射向小翼中的一个。由于作用在小翼上的光压力,使悬体 R 转动。转动的大小,可借助望远镜及固定在轴线上的小镜观察到。移动双镜能使光射在涂黑的小翼上。比较两种情况下悬体转动的大小,列别捷夫测得,涂黑表面所受的光压力比反射表面所受的光压力小一半,与理论完全符合。

根据量子力学,光具有波粒二象性,它既有波动的性质又有粒子的性质,所以光能够像气体分子一样产生压力,光压的存在也是合理的事情了。

by 岷客

Q8、人类能飞到宇宙边缘吗?

by 匿名

答:

不能,实际上,我们甚至都不知道宇宙真正的边缘在哪。

现代宇宙学普遍认为,我们的宇宙起源于一场距今大约 137 亿年的大爆炸,那我们的宇宙半径是不是就是 137 亿年呢?其实不是的,我们可观测的宇宙半径大约有 460 亿光年,这是因为我们发现在大爆炸之后,宇宙经历过快速膨胀的阶段,早期膨胀速度甚至超越了光速,这就是宇宙暴胀理论。这里多说一句,宇宙的超光速暴胀并不违反相对论,因为宇宙膨胀是时空本身的膨胀,并不受相对论约束。因此,大爆炸初期的光到今天与我们的距离已经远远不止 137 亿光年。

那在距离我们 460 亿光年以外呢?实际上,我们永远无法到达那里,对我们来说,可观测宇宙边缘的宇宙膨胀速度刚好等于光速,即便我们以光速向那里前进,也永远没有可能到达,这将注定是一场令人绝望的旅途。在那之外是什么样的,外面还有宇宙吗?答案是不知道。关于宇宙学,也有很多假说或猜想,例如,多元宇宙学说,但这些假说都没有天文观测证据支撑,也无法得到验证。

宇宙现在还在膨胀吗?是的,我们在上几期问答(343&344)中介绍过哈勃定律了,宇宙的膨胀速度就是哈勃常数,这是一个正比于距离的量,也就是说,两个物体距离越远,他们之间的膨胀速度就越快,所以我们不必担心彼此会越来越疏远。

by 霜白

本文来自微信公众号:中科院物理所 (ID:cas-iop),作者:Frions

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关键词:问答科普

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