如何超越光速？| No.227

Original Frions 中科院物理所 2021-01-06

收录于话题

213个

大家总说光速不可超越
那是因为人类的能力是有极限的
今天我们就不做人啦JOJO
带你超越光速！
见识一下超光速的世界

Q1

为什么不同种类的物质蒸发速度不一样？

by 一个懒惰的人

答：
因为不同物质在相同条件下的饱和蒸气压不一样。
组成液体的原子分子等微观“组成粒子”是由化学键或者范德瓦耳斯力等相互作用束缚在一起的，在任何实际温度下，它们处于不停歇的热运动状态，在液体表面，这些“组成粒子”有可能挣脱束缚而跑出液体进入空气中，这就是蒸发，由此可见，与沸腾不同，只要物质处于液态，蒸发在任何温度下都会发生。但在蒸发的同时，空气中的同种“组成粒子”也可能被液体捕获，由此“组成粒子”不断进出液体，当气体中“组成粒子”的浓度达到一定值时，两个过程就动态平衡了，表面看起来就好像蒸发停止了，这个时候的“组成粒子”在空气压强中占的比例就是该物质的饱和蒸汽压。所以饱和蒸汽压实际上反映的是“组成粒子”逃离液体的能力，温度越高，粒子热运动越剧烈，饱和蒸汽压就越大，液体中粒子间的相互作用越小，饱和蒸汽压也越大。
在相同的温度下，对于敞开的不同液体，由于它们的“组成粒子间的相互作用力不同”，饱和蒸汽压就不同，蒸发时气体环境中“组成粒子”的浓度与其饱和蒸汽压下的浓度差距就不一样，蒸发速率也就不一样了。
by Alan
Q.E.R.

Q2

为什么洒过饮料的地板会有黏糊糊的感觉？

by 下课才懂

答：
这是因为大部分饮料里都含有很多糖类，这些糖类物质，会增加水的粘度，而当饮料洒在地板上，开始水分子还比较多，糖类的浓度较小，因而不显得黏糊糊，但随着水的蒸发，糖的浓度逐渐上升，因而显得黏糊糊。
至于为什么糖溶解于水中会增加水的粘度，简单来说是因为“氢键”（氢键的情况往期里有很多介绍这里就不再多说了）。液体的粘性来自于液体分子之间的相互作用力，分子之间的相互作用越强，连接越紧密，液体就会越粘。由于氢键的存在，糖分子与大量其他水分子和糖分子连接在一起，从而使液体变得很黏。
不过一些人可能会问水里也有很多氢键，为什么纯净水粘度较低？这是因为糖类分子通常较大，以饮料里用的比较多的蔗糖为例，其含有12个碳原子，22个氢原子，11个氧原子，这些氢原子和氧原子都可能通过形成氢键的方式与水分子或是其他蔗糖分子连接在一起，甚至两个分子之间会形成多个氢键，这种复杂的结构远比水分子（含有两个氢原子，一个氧原子）之间由于氢键形成的集团要紧密，所以虽然纯净水中也有很多氢键，但相对来说并没有糖水粘。
其实提问者可以试一下，买一下市面上的无糖饮料，这些饮料中使用了代糖来取代蔗糖、果糖等，因此相对来说整体的含糖量应该是要偏低一些的，可以比较一下含糖饮料和无糖饮料洒在地板上哪个更黏（妈见打）。
参考资料:Why is sugar sticky?
by 前进四
Q.E.R.

Q3

为什么饿的时候也会打嗝？

by 想去物理所！

答：
生活中我们容易把打嗝和嗝气这两个概念混淆。前者在医学上称为呃逆，是由于横膈膜出现阵发性和痉挛性收缩而引起的，多出现于受到寒冷刺激、饱餐、大笑、吃饭过快或吃了干/硬的食物后，一般持续一段时间后会自行消退，但也有持续较长时间而成为顽固性呃逆的情况；后者亦称饱嗝，中医学上称为嗳气或噫气，指的是胃或肠道中的气体，经过食道由口腔排出的短暂过程，通常伴有声音，偶尔会有气味，大多是饮食过程中吞气所致。
回到问题，如果是饥饿时出现呃逆的情况，有可能是因为在没有进食的情况下，胃里的分泌的胃酸无法用于食物消化，刺激了膈肌引起痉挛而导致的。如果是饥饿时出现嗝气的情况，可能是消化道的蠕动使原本残存在体内的气体向上输送导致的。
无论是饱腹还是空腹的状态，出现少量的呃逆或嗝气都属于正常生理现象，但如果频繁地出现，就有可能是消化内道出现了异常，需要及时调整饮食规律和作息习惯，如果情况严重是需要及时就医并进行药物治疗的哦。
参考资料：打嗝、嗝气
by Eric
Q.E.R.

Q4

直升机悬停在半空中，过一天可以到地球的另一端吗？

by ZY

答：
不可以。物理里面常说，静止是相对的，在不同参照物下的“悬停”自然也会很不一样。而我们一般所说的悬停都是相对于地面来说的，这个时候站在地面的我们虽然看到直升机悬停在半空中没有动，但实际上如果你站到月球上去看，直升机是随着地球一起转动的，这其实与站在地面上不动的我们实际上在随着地球一起转动是一样的，所以悬停的直升机不管过多久都会在原来所在地面位置的上方，而不会到达地球的另一端。
下面说一下个人觉得比较关键的一个问题。之所以会有题目中的疑问，可能还是缘于，我们对于站在地面上的事物随着地球一起转动这件事习以为常，而对于悬空的东西，就觉得它们会被地球“甩在后面”。实际上整个地球包括地面、空气和天上飞的所有东西，始终都在随着地球一起快速地转动（坐地日行八万里），只是我们感觉不到这种转动而已，如果地面上真有什么东西定在哪里不随地球转动，我们看到它运行的速度将是非常非常大的（如果你真用这种视角来定义直升机的悬停，那半天后地球另一端的朋友们确实就看到它了，只是对你而言，你绝对不会觉得直升机在悬停，你会觉得它飞的好快，除非你真在月球上），夸张点来说，就好像你在天津跳高，落下来就到北京了似的，这是难以想象的！
by Alan
Q.E.R.

Q5

下雨天骑自行车，为什么有些水往前甩，有些水往后甩？

by 绍初191204

答：
雨天骑自行车，水会被车轮的旋转从地面带起来，继而由于惯性被甩到空中。向前或向后甩，取决于甩的位置和角度。
在车轮中心的平动惯性系中观察骑车过程，忽略空气阻力和其他扰动因素可以简化问题。在平动惯性系中（也就是没有加速度的参考系中），不考虑相对论效应，由于伽利略不变性，讨论物理现象是等效的。在轮心平动系，自行车轮在水面只绕轮心旋转，好比是个飞速旋转的水车。
车轮水带起来，继而由于水的惯性将水向四面八方甩动。不同位置的水甩的角度不同但是总是沿着车轮切线的方向。
回到地面参考系，不难看出，在水刚离开地面时，水被往后甩。在后半圈则被往前甩。这就是水被甩方向不同的原因。至于甩的细节。具体的速度大小：，其中是车轮上水的速度，是车的行驶速度，是水滴相对轮心的转速与水平向前方向的夹角。
雨天慢慢骑车车速 3 m/s（即约 10 km/h），车轮上的水速是 0 到 6 m/s不等。不计空气阻力计算发现，相对于地面大概可以向后甩 1 米，向前甩 1 米半。其实如果没有挡泥板的话，水还可以向上甩大约半米的距离。而且是车速越快，甩得越好。大家可以在生活中多多观察。
by 放开那个苹果
Q.E.R.

Q6

为什么蜂蜜不会坏掉？

by 来自川陀

答：
食物腐败是由于细菌和真菌（分解者）的分解作用。但无论是细菌还是真菌，都具有细胞膜结构，这层膜分隔细胞内部与外部环境，负责细胞与外界的能量和物质交换，但细胞膜具有选择透过性，只有特定的物质才能穿过这层膜进出细胞，细胞膜上有特定蛋白质做门卫，用来识别想要进出细胞的物质。水显然是拥有健康码，可以进出细胞的一员。然而，虽然细胞膜往往会为水留下私人通道（水通道蛋白）供其出入，但由于水分子身子小，也可以通过最原始的扩散方式进出细胞，不受细胞膜限制，因此细胞膜其实管不住水这个熊孩子。偏巧水又是个滥好人，哪有需要往哪跑，总是倾向于往水少的地方也就是渗透压高的地方流动。所谓渗透压高，可以简单理解为浓度高，即溶质相对较多而溶剂相对较少，水从渗透压低的地方流向渗透压高的地方便是倾向于使两边渗透压趋同。而蜂蜜便是一个渗透压极高的地方！蜂蜜的主要成分是糖，含量超过70%，水的含量不超过25%。因此细胞进入蜂蜜水分便会大量流失，大约会变成这个样子：
这样不圆润的细胞显然命不久矣。因此蜂蜜中的高渗透压环境中，细菌和真菌无法生存，没有细菌和真菌，蜂蜜自然可以不腐。尽管理论上蜂蜜可以长期保存，但还是建议要尽快食用哦，毕竟蜂蜜这种美味干放着实在是对不起味蕾啊！！
by 霜白
Q.E.R.

Q7

如何超越光速？

by 爱因斯坦的老乡

答：
光速就是光传播的速度，但是光在不同介质中传播的速度是不同的，因此在特定的条件下，是可以超越光速的。
光在水中的速度只有它在真空中速度的四分之三左右，而在原子反应堆的核反应中，会释放出很多高速运动的粒子，这些粒子在反应堆周围的水中运动时，其速度就有可能超过水中的光速，并产生切伦科夫辐射，产生蓝色的光。下图里的水并没有掺颜料，蓝色来自于核反应带来的切伦科夫辐射。
听起来切伦科夫好像要和爱因斯坦打架了，其实相对论要求的是：不可以按超越真空中光速的速度传播信息，所以超越介质中的光速（如水中光速）是没问题的。
从另一个角度来看，超越真空光速而不传递信息也是没问题的。在波的传播过程中，有两个速度，相速度和群速度。相速度不传播信息，因此是可以超越真空光速的，而群速度传播振幅等信息，无法超越真空光速。
最后，开个脑洞，按照相对论的说法，（传递信息时）真空光速不可超越，那如果我不去“超越”真空光速，而是一直比真空光速更快是不是可以呢？从未低于，自然没有“超越”的说法，听起来很像是在抬杠，但物理学家的脑洞就是这么大。在物理中有一个模型，叫做快子，它的速度永远比真空光速更快。相对论告诉我们，一把尺子运动速度越快对应其能量越高，而快子的能量越高对应其速度越慢（但高于真空光速）。此外，快子目前没有实体对应的粒子。
by 金鱼J
Q.E.R.