光速是绝对不变的吗？| No.64
漫漫暑假做什么？
吹风扇研究相对论......
为什么电扇背面没有风？为什么对电扇说话声音会变得怪怪的？
By 第三悬臂的麦克斯韦妖
A
电风扇背面也是有风的，只是相对正面而言要小很多。一方面，扇叶快速旋转，以斜面的形式给空气一个推动力，直接令空气加速，形成风从正面吹出，这个速度比较快；而风扇后方的空气，则是要去补充被扇叶吹出去的那部分空气原来所在的空间，靠压差而形成风，这个速度比较慢。另一方面，前面的风比较集中，几乎朝一个方向，而后面的风则是从风扇背面各个方向过来的，比较分散，也就没有那么强了。设想把风扇放在一个长型管道中，前后的风速差别就要小很多了。
对着电风扇说话时，声音会怪怪的。这一方面是因为前面吹的风影响了我们说话时所吐出的气流的速度甚至方向，另一方面是以我们的口腔为共振腔，产生了一些驻波，发出声音。为了减小干扰，可以试着面对风扇，嗓子不主动发声，空做类似“呜呜”的小口型和“哇哇”的大口型，感受一下不同的声音。这个有点类似于对着空啤酒瓶吹气，吹的速度和方向不同、瓶口的大小和深度不同，发出的声音也不同。当然，风很大时，吹得口型都控制不稳了，声音就更怪啦！比如，喝西北风……
为什么尺子和橡皮放在一起久了会黏在一起，接触的地方还会有油一样的物质？
By noname
A
当然是因为它们性情相近、真心相爱，而且还有“油”做媒啦！（再也无法直视这对CP了）。其实吧，尺子所用的材料多为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等，橡皮的主体成分为聚氯乙烯等，总之都属于高分子聚合物，塑料，所以性情相近嘛。而橡皮之所以拥有如此光滑柔嫩有弹性的肌肤，离不开一种特殊的物质，称作塑化剂或增塑剂。你想啊，一般的高分子聚合物链很长，如果它们之间的相互作用太强，容易纠缠在一起，阻碍长链的相互滑移，从而影响其塑性。塑化剂的主要作用就是削弱它们之间的作用力，此外还可降低聚合物的结晶性，最终增加材料的塑性，因此塑化剂在橡皮的制作过程中必不可少呢。然而常用的塑化剂为酯类化合物，比如酞酸酯系列，对塑料有一定的溶解作用，因此可以很好地充当“媒人”将它们俩粘结在一起！
为什么气体向真空扩散不做功？
By 时间掌灯人
A
题主指的应该是理想气体吧？确实是有这么个结论。有些问题呀，其实换个角度就很容易看清楚啦。物体不受任何外力（包括空气阻力、摩擦力、外部支持力等）时，总保持静止或匀速直线运动状态，动能不变吧？两个物体发生弹性碰撞，虽然各自速度改变，但是总动能不变吧？既然总能量都没变，当然就不做功喽。把这里的物体换成理想气体模型中的气体分子，不就是结论了吗？对于理想气体而言，无需考虑气体分子间的相互作用，且分子间的碰撞也视为弹性碰撞，因此，这团气体向真空扩散时当然是不做功的。
另外补充一点，若是把气体装在一端封口的注射器中，再放在真空中，那么气体推动活塞向外运动就是需要做功的啦，因为这里涉及气体分子对活塞的碰撞，并将一部分能量用于推动活塞运动，转化为活塞运动的动能和摩擦生热的内能；当外界非真空的情况下，则还要抵抗外部气压做功。自由扩散和有容器的情况是不同的，应注意区分。
请问微观上热传递的实质是什么？
By 我爱物理
A
热传递主要存在三种形式：热传导、热辐射和热对流。
热传导是指介质无宏观运动时的热传递，在微观上是粒子碰撞或原子、分子等振动发生能量交换的结果。例如气体或液体中，分子运动相对自由，四处碰撞，动能发生转移；固体中则主要是邻近原子通过键的作用将运动的能量传递过去。在晶体中，也常将晶格的不同振动模式抽象为声子，通过声子的运动、产生和湮灭来研究热的传递。
热辐射是一切高于绝对零度的物体都会具备的向外辐射电磁波的属性，也是真空中热传递的唯一方式。其微观上是由于分子、原子中的电子既可以吸收特定的能量向高能级状态跃迁，又有一定的概率辐射电磁波回到低能级。
热对流是流动介质对热量的传递过程，微观上是流体微团直接携带能量、在空间上转移位置，从而实现热的传递的。这一过程通常涉及重力和浮力的作用，并且与材料密度随温度而改变的特点直接相关。
以导体传导电子信号，能构成电子计算机，那传统意义上的“机关”和现代意义上的机械结构能不能称之为“力学计算机”呢？
By 海子的太阳与断头台
A
题主的这个思考角度很有意思。确实，有一类能够实现一定的逻辑操作的机械，可以认为是广义的计算机。被尊为计算机科学之父的数学家图灵，就曾将现实中的计算过程抽象为数学上虚拟的机器模型，即大名鼎鼎的图灵机。图灵机包含四个关键组成部分：一条可依次记录有限种符号的无限长纸带 、一个可来回移动并读写符号的探头、一套基于当前状态和符号确定读写头下一步动作的规则、一个记录机器当前状态的寄存器。
尽管公认的现代意义上的计算机直到1946年才诞生，但是早在1804年法国人雅卡尔发明的用于织造花纹布料的新式提花机中就已经用到了编程控制的思想和方法——根据要编制的图案在纸带上打孔，以孔的有无来控制经线与纬线的上下关系。1836年，英国数学家巴比奇制造了木齿铁轮计算机，并利用雅卡尔穿孔纸带原理进行编程。IBM公司靠卖穿孔卡片制表系统起家，并于1935年开发出穿孔卡片式计算机。
当然，“机械式计算机”不只是以上这些古板枯燥的样子，其优雅与艺术性也足以让我们叹为观止。英国人送给清廷、现收藏于故宫博物院的清铜镀金写字人钟，利用具有凹凸槽的偏心铜转盘，通过巧妙的配置实现类似编程的功能，可以用毛笔工整地书写“八方向化，九土来王”八个汉字，非常有趣，快去搜个视频看看吧！（别忘了回来点赞）
光速是绝对不变的吗？
By 恣
A
这个问法有一些歧义。如果是指光速在参考系变换下绝对不变。那么以目前的认知来看，是的。当然以下说的都是真空中的光速。相对论以前，麦克斯韦方程组计算得到电磁波的速度常量（光速c）；但是在哪个参考系为c？人们希望找到一个光速为这个计算值的参考系，称为“以太”。但迈克尔逊-莫雷实验的结果却表明，不管沿哪个方向观测（地球运动方向与光速方向相同或不同），观测的光速都是相同值，“以太”并不存在。这迫使爱因斯坦将“真空光速不变”作为其狭义相对论的基础之一，从而开始了20世纪初的物理学革命。因此在相对论体系中光速不变原理是作为一个基石的，不能由别的更基础的原理证明，但其正确性已被很多实验证实。如果一定要问为什么光速c这么特殊，这里仅作为一个参考：光的静质量为零的属性本身就是特殊，而相对论体系下零质量粒子运动速度计算只能为c，因此c也就如此特殊了。当然这是在相对论体系内的自洽思考。
如果是指光速30万千米每秒这个速度的绝对值不变。这并不准确。光速的绝对值原则上是可以改变的。改变光速的绝对值也并不影响狭义相对论的基本假设。后者说的是光速不依赖于参考系。而且目前也有模糊的证据证明现在的真空光速可能的确与宇宙早期有些许不同（证据存争议）。刘慈溪老师在科幻小说《三体III·死神永生》中有关于降低真空光速到第三宇宙速度以下形成“黑域”的设想，有兴趣的童鞋不妨去看看。
为什么发射卫星的轨迹是椭圆，而在地面上的抛体运动轨迹是抛物线？
By 物理青年
A
其实都是椭圆啦！只是在地面附近，物体的运动范围相比地球而言小得多，可将引力场近似为匀强场，此时推导得到物体轨迹为抛物线。实际上，椭圆顶点附近的小段曲线，也确实可以用抛物线来近似。不过，对于有心力场中物体的运动轨迹，需要用Binet公式来严格求解，涉及理论力学和微积分的相关知识。
若不考虑空气阻力等因素，仅考虑最简单的模型，则平方反比场中物体的运动轨迹为二次曲线，即圆锥曲线，包括：椭圆（包含圆形这一特殊情况）、抛物线、双曲线，分别对应于偏心率0≤e<1，e=1，e>1的情况。相应地，也可以按照该物体的机械能E（动能与势能之和）来判断轨迹的形状，E<0时为椭圆，E=0时为抛物线，E>0时为双曲线。
所以说，在地面上抛射物体也是可以得到严格的抛物线的，只是其动能要大到足以完全脱离地球引力的束缚才行，这可是很大的能量，与题目中的那种情况有本质的不同。例如，火星探测器至少需要达到第二宇宙速度(2gR)1/2=11.2 km/s才能沿抛物线离开地球，或者超过第二宇宙速度沿双曲线离开地球，如果速度处于第一宇宙速度到第二宇宙速度之间，就只能做一颗沿着椭圆静静环绕的卫星啦，如果速度再小一点……对不起，那就是一个坠落的悲剧，真的跟你扔个石子儿掉到地上没多大区别了。
如何简单阐述角动量守恒，又该如何使用？
By 刘大川
A
角动量守恒在经典力学和量子力学中有不同的意义，所以我们分为两个部分回答。
经典力学中的角动量守恒：我们在体系中定义一个叫角动量（L=r x p）的物理量，如果我们测量/计算发现任意时刻的角动量数值不变，就称之为角动量守恒。在牛顿力学中角动量的变化由力矩决定：
量子力学中的角动量守恒：我们在体系中定义一个算符叫做角动量算符（L=r x p这里的字母代表算符），角动量算符的本征值就是角动量。如果我们测量/计算发现任意时刻的角动量的平均值不变（注意量子力学要求平均值不变，经典力学只要求数值不变），我们就称体系的角动量守恒。量子力学中要保证角动量守恒只需角动量算符和哈密顿量对易即可。在角动量守恒的体系中，我们可以把角动量作为好量子数，利用好量子数可以使哈密顿量对角化的过程大大简化。
本期答题团队：
物理所 李治林、木公可可、螳吉呵呵
写下您的问题，下周五同一时间哦~
↓识别下方二维码快速提问↓
上期也精彩
编辑：PXL
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
2. 近85%的跑步者因跑步而受伤，你进行的慢跑真的对身体有好处吗？| SciFM Vol.08
3. 西瓜必须死，就在这个夏天
9. 孩子，有时候并不是生活欺骗了你，而是你可能还不懂概率统计……
10. 科学史上最伟大的十位单身男科学家