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黑洞有温度么?| 问答

2016-05-20 sym等 中科院物理所

tada~上周没吃药的小编我又被放出来啦~

我们问答的后台问题越来越热闹了(感谢!)

介于这种情况,本期开始,我们的问答特别遴选一些有趣有意义而且可以简短回答的问题。用短回答和长回答结合的办法,让我们在有限的资源下,尽量覆盖更多网友的问题。(而且并不会放松质量和深度)

加油!

↖(^ω^)↗




1


Q

市面上所谓的磁化水真的有保健作用嘛?

by Le Doctorat 

A

没有。




2Q

力有传播速度吗?                         

by 伟杰 

A

有的,机械力的速度就是材料中声音的传播速度,比如钢大概就是五六千米每秒。如果是真空中传播的力比如电磁力和引力,传播速度为光速。



3Q

自然界中有没有天然存在的量子态粒子?

by 自由

A


有的,比如光子。相同频率的光子在任何温度下都是量子相干态的。




4Q

超导体,无论是正方形还是圆形,或者什么形状都可以飘浮吗?假如是圆柱片 形状的超导体,它正飘浮在空中,如果用东西把它反转,它是会像磁铁正负相吸跌下去,还是继续飘浮?没条件实验,真的好想知道,谢谢了 

by 仲

A

是继续漂浮,这里的现象叫超导迈斯纳效应,是超导体的完全抗磁体的体现。和具体的形状无关。




5


Q

黑洞有温度吗?                                      


by 某

A


有,来源于霍金辐射。但温度并不高,三四个太阳那么重的黑洞的温度还不到一个开尔文,并且质量越大的黑洞温度越低。




6Q

两列传播方向相同,振幅相同,频率相同,相位差180度的光波在真空中干涉相消,请问能量去哪了?

by 问题小孩

A

好问题!记住相干不会改变系统总能量,只会改变系统总能量的空间分布。那么这里的能量跑到哪里去了呢?答:无穷远处。实际上是因为我们做了过于理想的近似,真实的光波是不可能是无限延展的平面波的,它一定会在远处绕回来。(你想想磁场线的闭合条件,以及无源电场线的闭合条件)。所以平面波近似是忽略了远端效应的近似结果。如果不忽略,你马上就会看到光场的能量在远处(远到不能做平面波近似)相干增强了。




7Q

老师你好 我想问下 大学物理应该怎么学才比较好比较透测?

by 高三

A

个人之见。主要有两个能力,物理图像和数学水平。前者要靠大量计算,广泛阅读和很多下意识的思考。后者要靠大量的计算和做题以及对数字的敏感和熟练。另外物理系的课程之间的联系千丝万缕,不要把任何一门课当成一门孤立的课来学习。要花大量时间来融会贯通。总之前面这些就三个字:堆时间。最后就是心态要好,上面这些都能做到的凤毛麟角,做不到不必气馁。




8Q

磁场与电场本质上到底有什么联系,分别是怎么联系的

by 我在学物理 

A


在相对论的高度上的话,磁场和电场就是同一个东西。或者说得严格一些,是同一个物理量(这个物理量叫电磁场张量)的不同分量。这就意味着磁场和电场在不同的参考系下是可以相互转化的。而事实正是如此~以不同速度运动的惯性参考系中看到的磁场和电场是可以不一样的。但他们总的电磁场张量一定一样~而麦克斯韦方程组其实反映的是在几何上保证这种转化不出现bug(比如能量不守恒啊动量不守恒之类)的几何结构。

如果继续深入下去,可以用纯几何的语言来重写电磁学,电磁场可以定义成一个称为纤维丛的几何结构,磁场和电场反应了这个几何结构的曲率。



9Q

什么是量子纠缠?                                     

   by 独孤一笑 

A


要理解量子纠缠态,首先你要理解什么叫量子叠加态。在经典物理里边,事物都有确定的状态。一个物理在A点,那么这个物体就不会同时处于另外一个B点。但在量子力学里面,物体却可以同时处在A,B两个不同的点。这种状态就叫做量子叠加态。此时我如果对这个物体的位置进行精确地测量,那么这个物体会随机的出现在其中一个点。这个过程叫坍缩,对应的物理是外界测量(扰动)改变了叠加态概率幅的分布。

量子纠缠指的是两个物体,比如说两个电子,如果我们说这两个电子处于量子纠缠态,那就意味着当我们对其中的一个电子进行测量(扰动),改变了这一个电子的量子态时,另一个电子的量子态立即也发生变化。尽管我们并没有对另一个电子进行测量,尽管这两个电子可以相距得非常远。

需要特别提一下的是,量子纠缠是瞬时传递的,没有光速的限制,但由于量子纠缠无法传递信息,所以量子纠缠并不违反相对论。




10Q

一次,我想把刚洗过的不锈钢盆和勺(均为304不锈钢)快速弄干,于是把勺子放到盆子里,然后一同放入微波炉里(格力),打最大档,2分钟。 结果在大概40秒时,加热仓冒烟出来,我赶紧管理取出,发现,凡是勺子跟盆子接触的点,全被烧化了,而且勺子有点拿不出,我用力才拉开的。
请问老师,1.为什么这么短的时间内,微波可以把钢融化掉?2.单独放不锈钢盆加热食物没有发生任何异常情况,为什么把同样材质的勺子放进去后,在盆子和勺子接触点(有三个点)发生了融化,非接触点完好无损?

by 空

A


有趣的现象~不过各位读者不要模仿,这个实验有一定的危险性。

原因是微波炉在工作的时候内部有很强的电磁场。在没有金属的时候,这些电磁波通过激发水分子振动来释放能量。如果把金属直接放进去的话,很大一部分能量会跑去金属表面激发感应电流。这些电流在金属里面到处乱窜,于是就产生热量。当然如果只是一个盆的话还好,因为金属盆比较光滑,感应电流跟热量在金属表面都分布得比较均匀,散热又快。这种情况以电磁炉的功率还无法融化掉金属盆。

但再加一个勺子就完蛋了。一方面勺子也会激发感应电流,另一方面勺子的形状和摆放位置和盆并不一样,所以勺子上激发的感应电场和盘上的并不一样。这就导致勺子和盆存在瞬时电势差。于是感应电流就不光在盆里面乱窜了。还要在盆和勺子之间窜来窜去。

电流怎么从盆窜到勺子去呢?当然是通过接触点咯。但注意,接触点非常的小,而且接触点上还有很薄的一层空气。导致的结果就是接触点上的电阻远远高于导体内部的电阻。于是感应电流在一个很小的接触点上剧烈释放能量。(道理就跟家里面的白炽灯只在钨丝上剧烈地释放能量,与之串联的电线的铜线上几乎不释放能量一样)这样就把那一点的铁给融化了。





11Q

能否介绍一下电磁炉的工作原理,为什么非铁磁性材料的锅没有用?谢谢老师!

by 阿卡阿卡

A


电磁炉的工作原理其实就是简单的电磁感应。电磁炉内部有一个感应线圈,在交变电流的作用下激发出一个交变电磁场,交变电磁场再在铁锅上激发出交变电流产生热量。

如果你看了前面一个答案,这时候你应该已经有疑问了。这样看起来只要是一个可以导电的金属锅就可以嘛。可以实践证明电磁炉在铜锅和铝锅上都是不能正常工作的,为什么呢?

铁和其它金属材料还有一个重大的区别。那就是铁有铁磁性!铁在外界磁场的刺激下可以感生出一个强得多的感生磁场,而其它金属不会。所以这个地方铁锅就好像一个电磁铁的铁芯一样。但和电磁铁不太一样的是电磁铁通的是直流电,而这里是交流电。这就意味着铁锅感生的强磁场会以50赫兹的频率不停的变化方向。而这个过程是需要消耗大量能量的。

所以在同样的电流下,铁锅要消耗的能量远大于铝锅,这意味着电磁炉线圈两端的电压放铁锅时要比放铝锅时大得多。这就意味着线圈的能量绝大部分都释放到铁锅上面了。

反观铝锅,由于铝锅上只有感应电流没有感生强磁场,所以放铝锅时线圈两端电压小。额定电压220V不变,意味着电磁炉线圈自身分到的电压更多,意味着多得多的能量会释放在线圈自身。而这会触发电磁炉的短路保护开关,于是电流断开导致铝锅不能正常工作。






12Q

量子力学的第五公设说全同性粒子是不可区分的,不能给它们编号,但却定义了一个交换算符,这两者之间是不是有矛盾呢?


by Edward 

A


问到点子上了。首先第五公设当然是不能随便违背的了。不过在具体操作层面的时候,波函数又不是自己就知道它应该服从第五公设的。所以我们需要将第五公设翻译成数学语言,这样我们就要先给粒子编号,然后再对编号的粒子波函数进行重新组合使他们满足对称/反对称关系。然后这些重新组合的波函数才能满足第五公设的要求。但这里要注意我们在对粒子编号的时候实际上我们引入了一堆物理上没有对应物的冗余的自由度。这种自由度就是以后很多高等课程中会提到的“规范自由度”。规范自由度不影响物理结果,所以这里我们权且把它当成一种数学上的处理技巧。

(但有时候自发对称性破缺的系统可能会伴随着规范结构的改变,将会等效地导致一些物理结果,这是后话,此处暂不考虑。)




13


Q

什么叫费米面的嵌套 nesting , 研究它的目的是什么?


by 蠢花花

A


用一句话回答的话,就是费米面嵌套指的是两套费米面的全部或部分区域可以通过在倒空间移动一个波矢而重叠在一起,其目的是用来解释一些体系中的相变,包括铁磁、反铁磁、铁电、电荷密度波等。这一概念是从人们试图理解巡游电子体系中的磁性时开始的。在很多情况下,一个材料的磁性是可以通过晶格格点上一个个局域的磁矩的行为来理解的。比如顺磁就对应着这些磁矩随机排列且在时间上其指向随机变化,铁磁对应着磁矩都沿同一方向排列,而反铁磁则对应着相邻磁矩反向排列。但是人们逐渐发现,在很多磁性材料中,其电的行为是金属的,也就是说电子一定不是局域在某一处。那么显然,电子携带的磁矩也不会是局域在某一处的,自然也就没有办法从局域磁矩的角度出发来解释为什么这些材料还会存在着磁性。在这些体系中,我们可以清楚地观察到费米面的存在,如果我们把磁有序在倒空间的波矢放在其中一套费米面的某一点,就会发现该波矢连接到费米面的另一点。也就是说,如果我们按着磁有序的波矢大小和方向把其中一套费米面移动的话,就可以和另一套费米面全部或部分地重叠在一起,称之为“嵌套”。我们知道,倒空间是实空间做傅立叶变化得到的,那么这种倒空间的关联一定意味着实空间存在着某种周期性的相互作用从而导致了我们所需要的磁有序。由于倒空间内表征的是大量电子的运动,因此嵌套的存在通常也意味着集体电子行为。费米面嵌套理论能够帮助我们在理解电子之间相互作用不强的体系中(这也是为什么材料会表现出金属性)为什么会发生无序到有序的相变。不过在实际应用中,它往往有点“马后炮”。也就是往往当实验上观察到某一有序态(比如反铁磁)以及费米面的形状之后,我们才可以通过分析两者之间的联系来决定费米嵌套理论是否合适。当然随着理论计算的长足发展,我们现在已经可以在有些体系中直接计算费米面形状并预测其磁有序等信息了(尽管不一定正确)。






特别致谢 S. L. Li  老师参与部分问题的讨论和回答!









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