光为什么砸不死人|No.29

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光为什么砸不死人|No.29

原创 2016-10-21 THU小伙伴及 sym 中科院物理所

这一期！

出现比小编我勤快的人了！

本期所有回答均由清华大学物理系4字班的同学们提供！

时至今日

问答专栏不但让大家提出了很多问题，思考了很多问题

现在还吸引了更多有热情来解答问题的小伙伴

我们真的是又高兴，又欣慰

雨滴的形成和凝结核有什么关系？温度和压强呢？雨滴形成的原理跟凝露是否一致？

莫兰蒂过客

我们知道，当温度降低，压强增大到一定程度时，水会发生相变，从气态液化，这就是雨水形成的过程。可以想象这样一幅图景——在温度降低的过程中，水分子的运动速度变慢，它们在运动的过程中有更大的几率聚拢在一起。但是当两个水分子刚靠在一起，很快就又会被其他水分子的碰撞给撞散。只有当达到一定数量的水分子共同聚拢在一起的时候，它们之间的聚拢作用才足够强大，经得住冲撞，并且能像滚雪球一样越滚越大，最终形成雨滴。凝结核的存在，提供给水分子的表面，使其不易被撞散，以此为基础形成雨滴就容易得多了。用物理的术语来讲，凝结核是亚稳态越过势垒走向稳态的关键。雨滴形成的原理和凝露是基本一致的。

为什么激光能量那么高，却还可以将原子冷却到接近绝对零度？

猴子山大王

当然可以了。阿波罗登月还是玉兔的照片上都没有星星是因为：第一，那是白天，月球没有大气散射，太阳直射到月球表面。表面散射的太阳光比地球上强得多。如果要照出星星，那地面就是惨白一片了。地面才是我们拍照的重点呀！所以为了不让地面过曝光，我们只有牺牲星空了。（这个道理就跟你们国庆出去旅游对着太阳拿手机自拍照出个黑乎乎的人影一样，只是反过来。）

第二，太空飞船的相机是为了科研任务而不是为了摄影艺术。可靠性，续航能力和重量才是需要重点考虑的地方。不需要拍摄质量不必要的好。（比如拍摄星空我们有更好的太空望远镜，不必月球探测器帮忙）

物理所君，既然宇宙在膨胀，星星们都在离我们远去，是否太阳系中的行星们，包括地球，也正在与太阳渐行渐远？

时光的河入海流

A现在不会，事实上宇宙膨胀是空间的膨胀，比较直观地，可以把宇宙想象成一个二维的“平面”，这个“平面”局部是平的，在大尺度上是弯曲的，好比正在被吹大的气球的表面。如果我们在气球表面画两个点，这两个点的空间距离会越来越大。但是要注意到我们画的这两个点之间没有任何相互作用。如果我们将两只蚂蚁放在气球表面并用很细的弹性绳子将他们拴在一起，可以想象尽管气球在膨胀，两只蚂蚁被绳子拽着，也不会相距太远，这就是被相互作用束缚的结果。太阳系由于相比宇宙尺度很小，引力束缚效果强，行星与太阳被引力的绳子系在一起，宇宙膨胀的效果对于太阳系没有多大影响。但是现在的宇宙在加速膨胀，如果继续这样下去，有一天太阳系这个束缚系统也不足以对抗宇宙膨胀了，那太阳和恒星就可能要分开了。

宇宙起源于138亿年前的大爆炸的理论已经被广泛接受，为什么说宇宙的半径是460亿光年，这个爆炸的扩张速度已经近乎光速的三倍了，宇宙中光速是最快的，不能被超越的，这应该怎么理解？

白杨弹道导弹

“宇宙的半径”指可观测宇宙的半径，“可观测”并不等同于真实观测到。如今我们可以观测到138亿光年外发射来的光子（也就是138亿年前），根据哈勃定律，可以推算出这些光子所在的位置在138亿年后，已经膨胀到了大约460亿光年的地方。宇宙的膨胀速度是可以超光速的，因为宇宙的膨胀并非携带质量或者信息的运动。狭义相对论中，有质量的物体一旦达到光速，质量会增加到无穷大，所以相对论不允许有质量的物体超光速运动。同样信息传递如果超光速，将可能导致因果倒置，逻辑上是不能接受的。然而除此之外，超光速并非不可以，只要不携带质量，不携带信息，超光速是不与狭义相对论相矛盾的。

什么是真空能？

月之耿

真空能是整个宇宙空间中存在的背景能量。真空能的影响在自发跃迁，兰姆位移等实验可以被观察到。它被认为在天文学尺度上影响宇宙的行为。真空能源于量子力学中的零点能（量子力学中，不确定性原理导致微观粒子的基态能量不为零，这个能量称为零点能）。然而，由宇宙学常数估计的真空能密度与由量子电动力学和相对论性电动力学推出的零点能有着数量级上的巨大差距，这是一个物理学仍未被解决的问题。

光为什么不会砸死人？

玉玺

光的反射和折射其实都源于光子与物质分子之间的相互作用。而“砸”，其实是指一个宏观物体在遇到人体表面时，由于无法穿透而突然“刹车”。砸死人的原因是“刹车”的一瞬间产生的冲力大于人体结构所能承受的最大力，从而直接在物理上破坏人体结构。但是对于光来说，由于波粒二象性光子可以看成是一个一个与人体表面的分子发生相互作用，对于能量较低的光子，只会发生一般的散射；而对于高能的光子，其相互作用的强度提高，就有可能“砸”坏人体表面的分子结构，破坏人体的组织，例如激光武器、x射线等都可以致命，但此“砸”非彼“砸”~

如果说宇宙膨胀速度可以超过光速，那是不是可以解释为什么夜空是黑的了？

suba

关于夜空为什么是黑的这个问题，很早就有科学家思考过啦~著名的“奥伯斯悖论”讲的就是这个问题。对于这个问题的解释我们可以从以下方面考虑：直观的想法是星际尘埃阻碍了光的传播，但这个解释并不对，因为中间的阻隔物也会因为光辐射逐渐变热而产生辐射，这样下去的结果是夜空还是会变亮；现在普遍接受的解释是，星光的传播是需要时间的，我们现在看到的都是以前星体发出的光，所以一些遥远星体发出的光可能还没到达地球，而且恒星的寿命也是有限的；更重要的是宇宙是在膨胀的，星星都在离我们远去，根据哈勃定律距离越远的星体退行速度越大，那么由于多普勒效应，它发出的光波长会变长红移），直到超过可见光的波段，我们肉眼来看就是黑的咯~（其实宇宙大背景下是有微弱的热辐射的，也就是常说的宇宙微波背景辐射，某种意义上说宇宙也很“亮”）至于宇宙膨胀的速度是否超光速，现在还未有定论。（参见问题4）

您好，有个问题从小就困扰我，不知道您能否帮我解答一下。为什么站在电扇正面有风，背面没有风？扇叶不是平的吗？那就应该两面都有风呀？

丫丫

这个问题其实是不准确的。真实情况是风扇背后也会有风，只是相对于前面让人感觉起来较小罢了。如果我们在家用小电扇背后放一张纸，就会发现纸会被吸引到框架上，这个实验足以证明风扇背后是有空气流动的。

那为什么我们会感觉前面的风要大一些呢？回答这个问题我们需要观察扇叶的设计。下图一种比较典型的扇叶形状：

当上图中的扇叶以顺时针方向转动时，就会使扇叶背后的空气以涡旋形态被送到前面去。扇叶背后气压降低，因此从四面八方就会有气流流入，但因为流入气流的方向较分散，而风扇朝前的送气气流方向是比较集中的，因此我们就会有扇叶前面风大，背后风小的错觉。

通电时电子在导体的运动速度？电压变化会怎么影响速度

_(:з」∠)_

首先我们要区分以下两个概念：

1.电子作为整体宏观定向运动速度，电流就是由导体中电子（载流子）定向移动所产生的，它与电场强度成正比，也就是随电压增大而增大，大约为10^(-4)m/s量级；

2.电子微观热运动速度，热运动是一种无规则运动，温度越高热运动越剧烈，所以如果不考虑焦耳热引起的温度变化，这个速度与电压无关，大约为10^5m/s量级。

（还有一个概念是电流传播的速度，由于电场传播速度为光速c，而导体可以在极短的时间内建立电荷平衡，因此在导体中电子几乎同时开始运动，因此电流的传播速度约为光速，也与电压无关）

特别致谢THU物理系4字班陈一鸣陈志豪李昀浩周昶兴张昊宋志坚徐家川谭鉴容李明睿同学热心的回答！