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为什么黑洞还能发出X射线?不是无法逃逸吗?| No.121

Frions 中科院物理所 2019-04-02


对于经常关注我们的同学们来说,黑洞大家都不陌生了。黑洞之所以得名,正是因为黑洞的质量是如此的大,以至于在视界面内的物质都无法逃逸出来,包括光子。但是科学家却观测到黑洞会发出X射线?这是怎么回事?

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1Q

汽车的动力是来自地面对轮胎的摩擦力,而汽车的阻力也是来自地面对轮胎的摩擦力。这两个力看上去像一个力,那么汽车就动不了了,而好像也没有其他力了?

by 辰🐰

A

汽车在行驶中的阻力主要有四种,滚动阻力,空气阻力,坡度阻力和加速阻力,本题主要问的是滚动阻力的来源。诚然,只有车轮与地面有摩擦力,地面才能给车轮一个与转动方向相反的反作用力,使汽车向前行驶。但是,轮胎并不是一个绝对的刚体,会产生形变。由于车轮各部件之间的摩擦以及材料内部分子摩擦的热效应,在加载变形和卸载变形时,同样的形变量下,其应力大小并不相等,这种现象被称为弹性迟滞。所以,假设汽车向左行驶,过车轮转轴作地面的法线,法线左右形变对称,但左边处于压缩的过程,右边处于恢复的过程,由于弹性迟滞,左边形变的应力大,右面形变的应力小,因此合力虽然垂直地面向上,但与法线并不重合,如图(来自余志生《汽车理论》)。这样就有一个力矩在阻碍车轮向左滚动,即滚动阻力的来源。所以必须给轮胎一个向左的推力才能平衡这个力矩,使车轮继续匀速向左滚动。

By sail


2Q

原子为什么是球而不是正方体什么的?


by csugeysvf

A

事实上原子并没有明确的形状……

我们知道,原子是由原子核和核外电子组成的。原子核的质量占原子质量的99.96%以上,但是其体积却只占了约几千亿分之一。事实上这个体积也不是明确意义的体积,而是代表核外电子可以活动的范围。而核外电子并没有轨道的概念,即并不像地球绕着太阳那样转。电子是用波函数表述的,波函数的模的平方代表了电子在空间某处出现的概率密度。概率大的地方颜色深,概率小的地方颜色浅,概率为0的地方不上色,这样画出来的图案便是电子云,代表电子在核外的分布概率。因此,如果非要给原子一个形状的概念的话,只能是电子云的形状。以氢原子为例,基态时电子的波函数是球对称的,因此电子云就是球的形状。但是当氢原子处于激发态时,其电子云就不是球形的了,而可能出现哑铃型等。如图所示:

图片来源:百度百科

By Patwf


3Q

 黑洞因其强大的引力致使光都无法逃逸,那为什么黑洞还能发出X射线?难道说X射线的运动速度超过光速?             

by  纯爱天篇 

A

因为X射线不是从黑洞内部逃出的,而是从黑洞周围的吸积盘中发出的。

黑洞具有很强的引力,弥散在宇宙中的气体和尘埃会被黑洞的强引力场吸引,逐渐落入黑洞中,因为通常被黑洞吸收的物质具有一定的角动量,所以会旋进式地落入黑洞,在黑洞的周围形成一个盘状的结构,叫做吸积盘。在物质落入黑洞的过程中,一方面引力对它做功,另一方面由于吸积盘不同半径处旋转速度不同(越靠里速度越大),从而产生摩擦力。这两方面的作用使得落入的气体被加热到很高的温度,进而放出电磁辐射。放出的辐射的频率由吸收它们的中心天体所决定。对于黑洞这种致密天体而言,辐射出的通常是X射线。因为发出X射线的吸积盘实际上位于黑洞的视界外部,所以X射线能被观测到就不足为奇了。

广义相对论预言的黑洞神秘而又有趣,但在天体物理中探测黑洞的存在却是不容易的。因为黑洞的吸积盘释放的X射线可以被观测到,所以X射线也是搜寻宇宙中黑洞的踪迹的绝佳线索。实际上,天文学家们也正是通过对于X射线的分析,来从浩渺的宇宙中寻找黑洞的。

By  YuSen An


4Q

要多大的声音才能让整个地球都听到?


by 一个熊孩子

A

声波是靠空气震动传播的。声波是纵波,会使空气压缩与膨胀,当声波的强度超过大概194分贝之后,声波的气压最小的地方已经成为真空(每增加6分贝音量增大一倍)。所以声音继续增大时,对传播距离的增加就不明显了。声波能量的衰减速度与其频率的平方成反比,并且在均匀的空气中声波的衰减相对于对数单位描述的声强近乎是线性的。30摄氏度下10%湿度的空气中,8000Hz的声波衰减速度为262分贝/公里,意味着很近就听不到了。那有没有什么办法让声波传播的远一点呢?有的,我们来看看频率更低的声波表现怎么样,30摄氏度下,当声波频率为500Hz的时候,声波衰减的速率变成了3.3分贝/公里。有希望!这时候我们继续考虑192分贝的声音,在50公里外依然能够听到27分贝的音量。什么概念呢?这个音量大概相当于情侣之间说悄悄话的程度。不给力啊老师!我们把频率再降低一些!Ok这一次我们把频率降到了10Hz,已经是次声波了,这个时候人已经听不见了,但是声波的衰减速率变成了惊人的0.011分贝/公里!依然是192分贝的声音,这一次即使再10000公里之外(大概相当于从北京到芝加哥的距离),音量依然保留到了82分贝,大概能够达到题主的要求了,但是由于是次声波,所以人是听不见的。

当然实际情况下声音不会仅仅依靠空气传播,声波在固体中的传播速度更快,衰减更小(比如敲击钢管的声音可以传到很远),所以实际情形下,情况还是要更乐观一些的。迄今为止,人类记录的最大的声音是1883年的卡拉卡托火山喷发,导致3万多人死于非命。那次火山喷发释放的能量大概相当于一亿吨当量的核弹爆炸,声音在5000公里以外依然听的很清楚。所以总的来说题主的要求还是可以实现的,大概只需要一颗小行星就够了。

By 望江楼


5Q

水的沸点就是水的最高温度吗?


by  清凉薄荷茶

A

在“正常”情况下,水最高的温度是沸点,因为水在沸点会发生相变变为气态,温度高于沸点时只能以气态存在。水的沸点并不是一成不变的,我们常说的100℃沸腾实际上是在标准的大气压下。沸点是液体的饱和蒸气压与外界压强相等时的温度,因此在海拔高的地方气压低,水不到100度就沸腾了,而高压锅里的水则可以达到100℃以上。不断的加温加压,则水会越过临界点变为超临界流体。此时水的状态既不同于气态,也不同于液态。它的密度比气体要大两个数量级,与液体相近,但黏度却比液体小,很容易扩散。

(图片来源于网络)

另外,水的沸腾需要一个条件,即需要水中有微小气泡或容器壁表面有微小气泡或是容器表面极其微小的的裂纹中有空气,否则极易形成过热水。过热水就是在本该沸腾温度却没有沸腾的水,此时水的温度可以高于沸点。不过过热水对水的纯度要求极高,一般不容易形成。

By Patwf


6Q

麦克风为什么能让声音变大,它是怎么转化我们的声音内容的?


by 匿名

A

事实上麦克风并没有把声音放大的功能,麦克风的作用只是收集声音信号,真正把声音放大的是音箱。首先,麦克风将声音信号通过传感器将把声音的机械信号转化为电信号。当然,此时的电信号还存在很多噪声,所以需要先对其进行滤波和降噪操作,再通过有线或者无线传输的方式传给音箱,再经过功率放大器将信号功率放大,最后喇叭再将电信号转化为声音信号释放出来,此时喇叭出来的声音的功率就要比原始声音要高。值得注意的是,让声音变大的主要模块是功率放大器,其主要原理是通过三极管的电流控制作用或者场效应管的电压压制作用,将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流,也就是将输入信号的电流放大。

By Automan-Ex


7Q

根据相对论,我们的宇宙是没有一个统一的时间的,同时是相对的,那么我们常说的宇宙年龄130亿年是怎么回事?是相对于我们来说的吗?我们怎么知道一定有一条类时曲线连接我们和大爆炸?


By 喵喵喵

A

在广义相对论下的时空是一个整体,要分别定义宇宙的时间和空间,就需要对宇宙的4维时空进行如下图所示的3+1维分解,分解为一个3维的空间加上一维的时间。把时空按时间来分层,每一层里的时间相同,不妨叫作同时面。

此图来自[2],图中省略了空间的两个维度

正如图(b)中狭义相对论可以有比如Σt’和Σt两种甚至无数种分层方式,它们都相互等价,因此同时是相对的。在广义相对论下的宇宙学中,原则上,你也可以有无数种分层方式,但是因为我们基于宇宙学原理的宇宙学模型只有在一个维度上是演化的,而在另外3个维度上是均匀和各向同性的,把宇宙演化的方向定义为时间的方向,这是最方便的一种分层方式。宇宙的年龄也是在这样唯一的一种分层方式下定义的,同时面也就唯一确定了,就能定义一个确定的时间,这个时间不是相对于某个观测者的,而是宇宙演化本身确定的宇宙标准坐标系。不过由于我们运动速度不大(相对于光速),引力场不强,我们的时间也可以近似等于宇宙标准坐标系的时间。

确切地说,这样的类时曲线不一定是存在的,在十分接近大爆炸起点的时候(普朗克时标10的-43s以内),我们也不知道发生了什么,这时目前的物理定律失效。但在此之后,有类时曲线能一直连接到我们现在应该是一个很自然的结论,至少从我们自身在宇宙中所处的位置一直向前追溯得到的测地线就符合要求。


更详细的内容可以阅读以下参考文献:

[1]S. 温伯格.《引力论与宇宙论:广义相对论的原理和应用》

[2]梁灿彬,周彬.《微分几何入门与广义相对论》

By 守恒




本期答题团队:

物理所    Patwf、Automan-Ex、sail、望江楼

理论物理研究所         YuSen An

国家天文台         守恒


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编辑:望江楼


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