是什么限制了速度上限？| No.228

继上周不当人也要超越光速后
这周我们继续来研究光速
除了玩文字游戏
超越水中的光速
还有没有什么方法可以超越光速呢
如果不能
那又是什么限制了这个速度呢

Q1

我们煮饺子时，判断饺子煮熟的标准是它浮起来了；但是煮茶的时候，茶煮好了茶叶却沉底了，我想请教一下这是为什么？by 匿名

答：

你观察的很仔细，很棒！其实饺子和茶叶浮起的原因是不同的。当饺子煮熟时，其内部会充满水蒸气，使其膨胀体积增大，从而能够浮起。煮茶时，茶叶一开始不能沉下去主要是由于干茶叶表面不平整，在与水接触时其表面会附着大量微小的气泡，这些微小的气泡以及茶叶内部可能残留的空气能够提供额外的浮力让茶叶浮在水中。当水沸腾或者温度较高时，水分子运动剧烈，能够逼迫气泡与茶叶表面分离，同时也能够更快渗入茶叶将其内部残留空气排出，这样茶叶所受浮力变小，于是就会沉入水底。事实上，如果用冷水泡茶，只要剧烈震荡容器(加速茶叶表面及内部的空气的排出)，并等足够长的时间，茶叶也能够沉底(没有什么用处的冷水泡茶法:-)。

by John Watson

Q.E.R.

Q2

为什么一般不用钢化玻璃做水杯？

by 匿名

答：

市面上我们可以经常看到玻璃杯，但玻璃杯很容易在磕碰中破碎，而钢化玻璃的强度更高，用它制作水杯是否更好呢，是否可以让水杯不怕摔呢？

首先，我们从钢化玻璃工业生产上来分析，它的成本高。钢化玻璃水杯相比普通玻璃水杯的生产要多一道工序，即在玻璃塑形、打磨等工序之后，多了一道钢化工序。玻璃一旦进行钢化处理之后，就不能再次进行塑形处理；而且，不同于我们常见的较为平坦的钢化玻璃，水杯本身曲率过大，在钢化工艺上存在更大的难度。其次，钢化玻璃水杯存在“自爆现象”，在加工过程中边缘的微小破损、温度急剧变化、玻璃内部的类似于硫化镍的缺陷等，都有可能导致钢化玻璃水杯的自爆现象，没有人希望自己的水杯在使用的过程中突然爆掉吧，而普通玻璃水杯就不存在这个问题。最重要的是，我们消费者更想要的是摔不坏的水杯，而钢化玻璃水杯并非绝对不怕摔。钢化玻璃在边缘位置处应力最大，那里相对更加脆弱。而水杯一般为圆柱体，有上下的边缘，从桌子上摔下来，边缘处很容易被磕到，当然水杯的非边缘部位有着更强的抗冲击能力，但也不能保证完全不会碎，并不见得钢化玻璃水杯要比普通玻璃水杯抗摔多少。

综合以上几点，我们是很少看到钢化玻璃水杯的。与其在不怕摔上想办法，还不如培养自己良好的习惯，减少玻璃水杯的磕碰呢。

by jita

Q.E.R.

Q3

速冻喷雾是怎么快速产生低温的？

by 古帅哥

答：

速冻喷雾的原理一般是通过致冷剂（注意不是制冷剂哦）快速汽化吸收热量来产生低温环境的。

首先我们来看汽化，所谓汽化，就是指物质由液态转变为气态的过程。想象一下，在原本的液态物质中，组成物质的分子或原子小手拉大手，好朋友一起走，彼此被分子间的作用力束缚在一起。突然，分子们获得能量，在能量的激励下，大家越跑越快，速度越来越大，动能也就越来越高。当分子的动能足够挣脱分子间的作用力时，大家就各自奔天涯了，这时，物质就转变为气态了。那我们再回头看一下，当物质从液态转变为气态时，分子获得的能量从哪里来呢？我们不难想到，从周围环境中获取热量是可行的，而事实也正是这样。汽化吸热，指的就是物质在汽化过程中从周围环境中吸收热量。汽化吸热在生活中很常见，最明显的是酒精，将酒精涂在手背上，你会感觉手背一阵透心凉，这就是酒精由液态转变为气态了，也就是汽化了。需要注意的是，汽化有两种方式，沸腾和蒸发，这两种方式都会吸收热量，但沸腾需要液体温度达到沸点，蒸发则不必要。上述酒精的例子就是蒸发现象。

回到问题本身，速冻喷雾便是利用致冷剂汽化，吸收周围环境中的热量来降温的，致冷剂就是汽化的材料，为液态，使用时会迅速汽化，并带走大量热量。上述例子中的酒精就是可以看做一种致冷剂。当然，为了维持致冷剂的液体状态，我们往往会在喷雾罐中加压。压强的变化在物质气液变化中也会起到重要作用。常见的医用速冻喷雾（就是足球比赛队医拿着喷人的那个）主要致冷剂成分有：丙烷、二甲醚、正丁烷、异丁烷等（它们的沸点都在0℃以下），通过调整这几种成分的配比，可以使喷涂位置瞬间冷却到-10~-30℃范围中的任意一个温度，用于镇痛等目的。

参考文献：章子隽,陈冠斌. 一种带有特定气雾阀与促动器的镇痛冷冻喷雾剂[P]. 广东省：CN106821588B,2019-12-31.

by 霜白

Q.E.R.

Q4

润滑油、肥皂水等液体的润滑效果为什么比水好？

by Rex

答：

润滑油之所以能起到减少摩擦阻力的作用是因为它能在物体表面形成一层油膜，油膜可以填入表面凹陷处降低表面粗糙度乃至于完全将物体分开，油膜必须具有法向承载能力同时切向剪切强度较低。根据润滑膜的形成原理和特征可以将润滑状态分为流体动压润滑等6种。在一定的工况条件下，润滑剂的粘度是决定润滑膜厚度的主要因素。例如，对于流体动压润滑，润滑膜厚度与粘度成正比；而在弹性流体动压润滑下, 润滑膜厚度与粘度的0.7次方成正比。而水由于粘度太低，水膜容易破裂，因此不作为常用的润滑剂。而另一方面，粘度也是影响摩擦力的重要因素。高粘度的润滑剂不仅引起很大的摩擦损失和发热，而且难以对流散热，由于摩擦温度的升高，可能导致润滑膜破裂和表面磨损，所以，对于任何实际的工况条件都存在着合理的粘度值范围。

根据Stribeck模型，摩擦系数与轴承特性数之间存在下图所示的关系。这里，η为润滑油粘度；U为滑动速度；p为轴承单位面积载荷。

参考文献：

[1] 温诗铸, 黄平. 摩擦学原理[M]. 清华大学出版社有限公司, 2002.

[2] 李鹤尊, 张晓昊. 利用 Stribeck 曲线评价润滑油性能的方法研究[J]. 润滑油, 2009 (5): 61-64.

by 牛肉狂魔

Q.E.R.

Q5

为什么电脑出现乱码时总是显示生僻的汉字？

by 匿名

答：

回答这个问题前我们需要了解中文编码的过程。就像大家知道的，计算机中信息是以0和1的二进制数的形式存储的。为了将字符集中不同的字符与计算机可以接受的数字系统的数联系起来，需要建立一种映射（对应关系），并且一个字符集可以有不同的编码方式。例如常见的字符集Unicode就可以对应不同的编码规则UTF-8、UTF-16等。不同的字符编码标准下，同一个字符会用不同的字节数对应。在编码和解码的过程中参照了不同的编码标准或是字符集时，就会出现字符乱码的情况。

回到最开始问题，乱码为什么是生僻的汉字？以常见的中文简体字符集GBl 8030为例，该标准共收了27484个汉字及常用符号， 奠定了中文信息处理的基础，但《现代汉语常用字表》中给出的常用字（2500字）和次常用字（1000字）加起来不过几千字。两者相比，乱码中出现生僻字符的概率自然更大。

参考文献：[1]陈小瀚.中文编码原理及其乱码问题的探讨[J].科技信息(科学教研),2007(24):397+465.

by 观山不易

Q.E.R.

Q6

为什么自然界中绿色的花很少？

by 匿名

答：

自然界中绿色的花并不少哦，不过绿色确实不是花的主流颜色。

事实上，花虽然可以用作表达情意的信物送给女性朋友、女朋友和老婆，但是作为植物的生殖器官，其最重要的工作还是传粉孕育子代。而有些花需要蜜蜂等昆虫来帮助传粉，因此必须把自己打扮得花枝招展，表现出各种颜色，才能跟绿色的叶子区分出来，不然没有办法勾引，哦，不是，是吸引到昆虫来传粉，这就是虫媒花，虫媒花往往颜色鲜艳并伴有香气，引人注意。被子植物大多为虫媒花。但也有一些花与那些妖艳贱货不一样，她们传粉靠浪，啊，不对，靠风！她们通过风吹走花粉来达到传粉的目的，这样的花被称为风媒花，风媒花就没有必要靠艳丽的颜色来吸引昆虫来，这种花反而往往小而不鲜艳，也没有香味和蜜腺，因此风媒花中就存在许多绿色花。最具代表性的风媒花是柔荑花序的杨柳科植物开的花，也就是柳树、杉树等植物开的花，她的花粉也是花粉过敏症的罪魁祸首之一。

植物颜色是由其中的色素决定的，叶子看上去绿绿的，就是因为其中有大量叶绿素，这是光合作用最重要的参与者。在发育成熟的花器官中叶绿素比较少见，花中的色素主要为花青素和类胡萝卜素，前者主要为红、蓝、紫色调，后者主要为红、橙、黄色调，它们都不具有产生绿色的能力。因此，绿色并不是花的主流颜色。

其实生活中绿色的花并不少见，核桃、枣以及上文说的柳树等植物开的花都是绿色的，你觉得少应该是你没有注意到，毕竟应该没有人会送绿色的花给女朋友吧？（逃）

——那小编是怎么注意到的呢？

——哦，小编没有女朋友。

by 霜白

Q.E.R.

Q7

一束激光照在月球表面，转动激光，月球表面光斑的移动速度能不能达到光速？by 匿名

答：

可以的。激光转动的时候是一束束的光（很多光子组成）从发射口发出，为了图像上方便理解，不妨认为在转动时每一个角度发出一个光子，并将照射到的月球表面近似为平面。

=0时发射口发出光子1；时光子1到达月球表面点，此时激光发射口转动一个角度，并发出光子2；时光子2到达月球表面上点。记发射点距离月球表面距离为，转动角速度为，光速为，那么，，，从光子1到达点至光子2到达点这一段时间长度为，所以月球表面的光束移动速度为，这个速度完全可以达到甚至超过光速。

但这并不违背“真空光速是物质运动的最大速度”。从上面的推导可以看出，虽然我们认为“光束在移动”，但其实并没有什么东西真的在月球表面移动，只不过是一系列不同的光子依次到达月球表面形成有光在月球表面移动的一种“视力错觉”，如果条件允许，我们在一个角度内摆放很多激光源，然后依次打开，得到的效果其实是差不多的。

by Alan

Q.E.R.

Q8

为什么光速不可超越，是什么限制了这个速度？

by 匿名

答：

是光速不变原理以及因果律共同限制了这个速度。

光速不变原理是说真空中的光速（记为）在任何惯性参考系中都是相同的，与光源的运动无关。这一原理既是狭义相对论的两条基本假设之一，也为后续的一系列实验证实（如迈克尔逊-莫雷实验）。注意，在绝对时空观里，即大家习以为常的牛顿那一套，速度都是相对的，可以说，相对论的一系列“反常结论”都与绝对的“真空光速”息息相关。

我们这里没必要去重复复杂的数学推导，只需要知道，利用光速不变原理、空间中无特定方向、以及相对论第一条原理（相对性原理：惯性系都等价），就很容易严格地得出下面结论：

对于两个惯性参考系和，中事件的时空坐标记为),即在中看到事件于时刻发生在处，同理在中记为。为方便取相对于沿着轴方向以速度运动（其实沿着什么方向并无大碍，只是公式稍微复杂一些）。假设事件的发生导致了事件发生，在惯性系中看到，事件坐标为，事件坐标为，同理，在中的人看来，而，那么将有：

既然导致发生，那么按照因果律，必须满足且，所以有：

记：

代表任意两个关联事件和间信息或者作用传播的速度，则：，注意到本身也是一个真实的速度，也可以用来传递信息，所以与本身并无区别（也就是简单地把选为惯性系而作为研究对象而已），只能是两者都小于，这就是为什么说，光速不可超越。

总结下来就是，光速不变原理是理论和实验上都认定为正确的结论，如果我们认可因果律，也就是说两件事发生的先后顺便在任何情况下观测都是一定的，那么就可以自然导出是物质运动的最大速度，反过来就是常说的，如果超过了光速就可以时光倒流，因为因果律被违背了。当然，刚刚的推导似乎有点小漏洞，那就是如果刚刚有一个速度达到怎么办，毕竟这是可以的，其实按照现在的观点，这个能达到的特殊的物质只有静质量为0的光子，我们有理由相信，对于光子而言，，它看到的时间是冻结了的！

by Alan

Q.E.R.

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如何超越光速？| No.227

编辑：他和猫

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