在银河系迷路怎么回地球？| No.216

Original Frions 中科院物理所 2020-09-09

听说有人在银河系迷路了？
别担心，聪明的Frions来帮你导航
沿当前航线直飞
到第二个红巨星右拐，前进80光年
然后这么走，再这么走……
地球到啦！快回家吧

Q1

为什么电风扇不是两面都有风？

by 鸣瓢秋人

答：
首先我们要知道知道一个概念——风的形成其实就是气体的流动。其次我们要明白电风扇工作的原理。如果你仔细观察下电风扇的构造，就会发现风扇的叶片是一个约30度的弧形斜面。当风扇转动时，扇叶因它特殊的构造对气体切割并推动气体向前，使气体有了向前的流动力。电风扇的出风方向只朝正前方，但进风方向却是四面八方，所以相对而言，出风口面积比进风口面积要小，但流经的空气体积是相同的，所以风扇前方空气流速大而后面的空气流速则较小。不同的空气流速导致了我们感知的差异，正对风扇空气流速大因此我们能清晰的感受到风的存在，但这并不是说风扇的后面没有风，如果你将纸条放在风扇网罩侧面及后面时，可以看到纸条将被“吸”在网罩上，就会很明显的“看到”风的存在，只是风力会小很多而已。
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q2

夏天开空调，低温度短时间开和较高温度长时间开，哪个更省电？效果更好呢？by TheOne

答：
如果想保持室内温度舒适恒定，空调肯定得一直开着，所以这里就不讨论空调不同温度下运行时间带来的耗电量的差别。其实对于不同的温度和场景需求我们需要采用不同的降温模式达到省电和高效的目的。空调在开启后到室内温度与设定温度相同时耗电最多，当室内温度与设定温度基本相同后空调的耗电量就会逐渐下降。把空调调到制冷模式并使风向向上可以使室内快速降温，待温度降到设定值后再换成自动或睡眠模式可以减少耗电。当然，如果天气闷热潮湿，调成除湿模式也可以让室内保持凉爽舒适，这样不仅对人体伤害小而且节能，温度降下来后更加稳定。至于空调温度的设定，不要过低也不用刻意调高，一般设置为26℃就可以让我们感到舒适了。
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q3

为什么光速是一个不可逾越的极限？

by 糖狮妹妹

答：
光速并不是“速度”的极限，现代物理学中有很多现象是可能在数学形式上“超光速”的。
波的相速度，例如在固体中的声子的光学波的等相位面前进速度是超过光速的，但是这并不能传递信息。
目前的量子实验的证据表明，相互纠缠起来的一对量子比特发生量子退相干的时候，退相干的传递速度几乎是“瞬间的”，这肯定超过光速了。但是，退相干也不能传递信息，因为无论退相干是否发生，单次测量的概率分布不会因为退相干是否发生而改变。
广义相对论中，因为时空/度规发生改变引起的“两点之间的距离的增加速度”也是可以超光速的，典型的例子就是现在的宇宙学模型中哈勃红移。这些遥远星体“远离”我们的速度，是有可能“超“光速的。这种现象来自于宇宙的背景，也无法用来传递信息（无法改变）。
可以看出来，相对论成立的基石——光速第一，在这些年物理学的进步中，已经得到了补充。现代物理学界对它的认识是——无法超光速传递信息，光速是信息传递速度的极限。这个定律本身其实是“因果律”的一种表述。有了这个极限，在“绝对过去“发生的事情才不可以被改变。
by Luna
Q.E.R.

Q4

我们平常感受到物体之间的接触是原子之间的接触吗？

by 荆立典

答：
物体的接触说是原子接触也可以，因为这是原子中的电子云重叠带来的。你按住物体不能无限戳进去，那是原子间在互斥。就本质而言，生活中的现象大多是引力和电磁力，如重力和潮汐力为引力，压力和摩擦力为电磁力。而你所关心的人体所感觉到的，基本都是电磁作用，接触物体也是原子间的电磁相互作用。有一个很有意思的事，人体感受的力，就连重力也不是直接感知到引力的，总是要通过脚底的压力或者“失重”才间接觉察得到自身的重力，因而实际上这些能感觉到的都是电磁作用。
by 木公可可
Q.E.R.

Q5

怎么造一颗恒星？将它放入宇宙中会发生什么？

by 神秘者

答：
在天体物理学中，恒星的形成一直是极其重要的研究课题。在目前的天体物理学成果中，有一些关于恒星的重要结论：
我们首先得准备“一些”氢，根据天体物理学家计算出来的极限和目前的观测数据，我们至少得准备大约0.09个太阳质量的那么多的氢，这个质量大约相当于地球总质量的3万倍，当然多一点是完全没问题的。如果更少的话，可能引力提供的内部压强就无法驱动自发的核聚变了。
其次呢，需要有一些特殊的方法让数量如此庞大的氢压缩起来。对于最稠密的那一类星云，1 m³ 的体积内大约只有 10^-¹⁷ g 的氢气，这意味我们要想收集到那么多氢气，要“捞”5×10⁴³ m³ 的最重的星云物质。这是什么概念呢？其实大约就是10²² 个地球那么大，如果看作球的话，半径大约0.02光年，把这么多氢气压缩得比太阳还小可不是容易的事情，光靠引力不知道等到要猴年马月。就算是对于有着人类难以想象的伟力的宇宙来说，聚集氢气也是一个漫长的过程。但是只要聚集好氢气，核心处就会发生稳定的核合成反应。这颗小恒星的寿命将会约为2万亿年(在主序上的停留时间)，是目前估计的宇宙寿命的一百多倍。
可是，即便付出如此艰难的努力，制造一颗恒星这样足以耗竭人类全部想象力的伟大工程，对宇宙来说，也只是毫不起眼随处可见的，每天都在宇宙中发生的事情罢了。所以把一颗恒星放入宇宙后会发生的事情也不过就是多了一颗恒星而已。
参考资料：Stellar mass、INTERSTELLAR MEDIUM、Main sequence
by Luna
Q.E.R.

Q6

是否可以释放大量臭氧来修补臭氧层空洞？

by 阿昊

答：
“女娲补天”是一个很好的创意~不过很遗憾这个想法暂时而言是不可行的。臭氧层空洞的形成，其罪魁祸首是氯化物等卤化物，它们催化了臭氧分解，比如新闻里经常提的氟利昂便是一种罪魁祸首的来源。在南北极的上空，很多时候存在着非常强大的气旋。这些气旋就像一个罩子，导致了：极地上空的氯化物等一直呆在极地，而且其作为催化剂在反应前后不会减少，有着“不死之身”，持续不断“进攻”臭氧，而地球其他地方的臭氧又很难前来支援，最终结果便是臭氧“弹尽粮绝”，形成“空洞”。
图源：NASA官网
为什么不可以人工释放臭氧来“补天”呢？首先，制造这么多的臭氧，其成本太高了，其次，开动机器制造臭氧是要消耗能量的，制造“补天”的臭氧所带来的耗能，以及制造过程中可能会对自然界产生的新影响，例如大量的碳排放等，这些因素很有可能会加剧温室效应等其他环境问题；再次，即使在对环境无伤害的情况下成功制造了这么多的臭氧，也只是第一步，毕竟臭氧层所在的平流层太高了，大约位于地表10km~50km处（作为对比，一般中型民航飞机飞行高度是7km~12km），想直接送上去会体验真正的“难于登天”。再再次，如果想直接把这么多臭氧排到空气中等它们慢慢自由扩散上天，也是不可以的：臭氧会刺激和伤害呼吸道，损害神经中枢，在体内会导致细胞损伤，这是一个新的环境污染问题。所以，综合考虑，目前暂不考虑释放臭氧来“补天”。
目前的“补天”方式主要是：首先，打击坏人——减少氟利昂等物质的排放，例如蒙特利尔议定书生效后，协议各国都采取各种措施限制其使用，其次，臭氧层的存在是一个动态循环的过程，依靠地球大气的循环，大气其他地方的臭氧可以支援到臭氧空洞处从而自然修复。这便是最后一个原因：地球母亲具有极强的自愈能力，相信并祝福她吧！
by 金鱼J
Q.E.R.

Q7

如果在银河系中迷路了，怎样找到地球？

by 徐骞

答：
地球在银河系中的绝对位置(相对于银河系中心的位置)人类是知道的：天文学家早已研究出来了一堆方法来研究银河系，自然对太阳系在宇宙中的位置有了解。
如果我们在银河系中迷路了，我们首先需要测量我们在银河系中的大致位置。这其中，最关键的是确定自己和球状星系团的相对位置，因为球状星系团是银河系的中心。在确定了和银河系中心的相对距离之后，我们就大致可以结合一些其他的天文学知识(类似于在地球上确定地球的位置)，大致确定“我在哪儿”了。
现在我们知道了我们自己在哪儿了，那么也会对地球的大致位置有一个估计了，但是，我们肯定是无法直接看到地球的，只能寄希望于看到太阳，甚至或许只能看到太阳附近的更亮的恒星。这就引出了一个重大困难，银河系的半径约为5万光年，我们目前观测到的银河系，实际上是”过去的“银河系。上万年之后的太阳和周围恒星的相对位置肯定也会随时间改变。预测很长时间之后的太阳的相对于邻近恒星的精确位置，并不容易，但是理论上总可以做到。因此大体上，我们可以使用《三体》中的方法。我们知道太阳系周围的恒星的相对太阳的相对位置，就将这张图在相对“我们目前所在的方向”上做投影，就可以得到我们应当观测到的恒星分布。(这就是为什么我们最好知道我们在银河系中的相对位置)
然后对估计的区间内进行巡天，把观测到的恒星分布和预计的分布进行比较，就可以锁定太阳的位置啦～确定了太阳之后，如果知道准确的时间，我们就可以通过历法和已知的地球轨道算出地球的位置了。不过，想要回到地球/回家的话，都知道太阳的位置了，就不用担心找不到地球了，到太阳系了再找也来得及～
参考资料：How did scientists determine our location within the Milky Way galaxy--in other words, how do we know that our solar system is in the arm of a spiral galaxy, far from the galaxy's center?
by Luna
Q.E.R.