可以用镜子困住光吗？| No.359

Original Frions 中科院物理所 2023-07-28

收录于合集 #问答 342个

光是世界上最快的东西
镜子可以反射光
那我可以用镜子
困住一束光吗？

Q1

可以用磁铁鉴别不锈钢的真假吗？

by 匿名

答：
不可以，马氏体不锈钢有磁性，奥氏体不锈钢无磁性，它们都是不锈钢。
by Luna
Q.E.D.

Q2

为什么断了线的风筝会马上掉下来，而不是越飞越高？

by 匿名

答：
因为它挣脱了缰绳后失去了控制，开始放纵自己，于是眼看它起高楼，眼看它抟扶摇，眼看它跌跌撞。
风筝能迎风飞翔的秘诀，在于有稳定的迎角。如果风筝有侧翻的趋势，风筝线的拉力会把它拽回来，这就像是压舱底的重物给船提供了一个稳定的重心，这样船能在风浪中保持平衡。
船的重心与水浪提供的摆动的浮力形成一对恢复力矩 | 图源：ciechanow
同理，风筝的布面能以稳定的迎角迎着风，借势获得斜向上的推力，并与线的拉力和重力达成平衡。但当绳子断掉后，不再有拉力稳住风筝的面，风筝不能保持迎角，就会迷失在混乱的风向中，最终不能把风的推力稳定在向上的方向，并掉了下来。
风扇的扇叶也有一个固定的倾角，这也保证了它转动起来能吹出稳定的风。
by 牧羊
Q.E.D.

Q3

光会受到引力的影响是因为它有运动质量，还是因为时空被大质量物体弯曲，导致沿直线运动的光看起来像是弯了一样？by 匿名

答：
认为“光受到引力影响是因为其具有运动质量”的解释是一种谬论。因为在相对论的框架下，并不存在没有运动质量的粒子。那说它“因为有运动质量”实际上是一句废话，既然所有的粒子都有运动质量，这句话本身和“所有粒子都会受引力的影响”没有区别。
而正确的解释就是时空被大质量物体弯曲，引力场的存在修改了“直”的定义，所以光线的路径在欧几里得时空是弯的。
by Luna
Q.E.D.

Q4

如果用镜子做一个容器，可以困住光吗？

by 匿名

答：
理论上可以。这其实是个加强版的绝对黑体。这个容器不但不能让光逸出，甚至不能把光吸收掉。不过在“真空中球形鸡”的条件下，我们还是可以试一试。如果我们获得了可以将入射的光全部反射的理想镜面，同时忽略光注入孔的存在（也就是假设容器壁是完整的），那么就可以构建一个让光无限反射而不损耗的容器，也就是“困住光”。
如果我们把上面的理想假设逐步现实化。首先考虑容器几何形状，不可能做到容器任何位置的反射率都是100%。那应该怎么尽可能困住光呢？两个平行的平面镜！将光从镜面边缘以接近垂直的角度射入两个平面镜之间，这束光就可以在两个镜面之间往复反射许多次。
在这样的平行平面镜系统中，我们再考虑镜面反射率不可能达到100%的问题。光照到镜面上，总会有一部分反射而另一部分透射，反射的能量占总能量的比例叫做反射率。通常的镜面反射率可以达到95%乃至更高[1]。这样，光在平面镜之间来回反射24次（12个来回）仍有30%的强度。
如果我们将平面镜反射率调低一些，使每一次反射的透射光都变强。这些透射光的干涉效应会变得显著，波长满足的光会干涉相长，光强明显变大，其中L是两个平面镜距离，n是镜面间介质折射率；另一些满足的光会干涉相消，光强几乎消失——这样我们就可以获得特定频率的光了.
法布里-珀罗干涉仪原理示意 | 图源网络
到了现在，我们就从“理论上可以困住光的容器”出发，得到了一个实际应用中可以选频的器件，他就是大名鼎鼎的法布里-珀罗干涉仪。它是一种能实现多光束干涉的重要仪器，可以有效地计量纳米乃至皮米量级的长度、研究光谱的超精细结构[2]。在光学实验室中，FP仪的身影无处不在。
参考资料：
[1]反射率
[2]钟锡华. 现代光学基础[M]. 北京大学出版社，2003
by 藏痴
Q.E.D.

Q5

请问吉他在没有电子调音器的时候是怎么调音的，是纯用人耳听吗？听的有误差会怎么办？每个音音的标准又是什么？by 樵拾

答：
这个问题涉及的时间和空间跨度非常广，而内容的体量也非常巨大，而且在近代以前的欧洲没有官方的律学论述，所以虽然题目问的是吉他，我们在这个回答里只能简单且非常粗糙地探讨有官方记载的中国古代的乐律学。
每个朝代乐律学的基础是定一个标准的音高——在中国古代是“黄钟”，确定黄钟的方式是先确定一个长度，比如几尺（注意，度量衡在古代也是随时间演变的），以此长度制成的律管[1]（也可能是编钟）发出的音为标准黄钟，在此再以三分损益法[2]、十二平均律（明朱载堉）等律学方法定出其他音的标准音高，由于涉及到荀勖笛律中的管口矫正[3]，简单的三分损益制出的律管并不符合标准，所以一根律管并不够，在出土的文物中（马王堆等），通常含有不止一根律管。
而吉他作为弦乐器，其音高和弦的材质、张力等有关，所以不适合用来定标准音。在弦乐器调音时，严格地说需要（民间弹两首小曲，也得搞个标准音不成？随便调调得了）依赖于管乐器定出的音高标准：通过判断两音是否和谐、可以调弦乐器的音。
参考资料：
[1]律管
[2]三分损益法
[3]荀勖笛律
by Luna
Q.E.D.

Q6

为什么参观文物等东西时拍照不能用闪光灯？

by 不过咸鱼

答：
因为文物中很多颜料都会被光分解。用闪光灯咔咔地拍，对这些脆弱的颜料而言就好像一直在薅头发，这样早晚会被薅秃的。最严重的情况，可能就属秦兵马俑了，早期挖掘时没有注意这方面的防护，刚挖出来的兵马俑其实是彩色的，但数小时后就见光褪色成了我们现在看到的土俑。
兵马俑挖掘现场
秦兵马俑复原色彩后的示意图，左侧标注了所使用的颜料来源
相机通常使用的是氙气闪光灯，它可比自然太阳光猛多了，我们来看看它的光谱长什么样。
氙气灯光谱
可以发现它相比自然光具有一些突出的特征峰，更重要的是，闪光灯的瞬时照度可以达到上万勒克斯。颜料分子在这种高强度照射下会被激发到高能级，一方面可能获得分解反应所需的活化能，然后分解成没有颜色的产物；另一方面，高能级的颜料分子更容易与氧气反应，在光的撮合下被氧化。红外光所具有的热效应也会使纸张、木器等纤维素丰富的藏品脱水开裂。
参考资料：
[1]褪色方法大赏
[2]每个人都在博物馆用闪光灯，梵高的向日葵就变成白菊花了
by 牧羊
Q.E.D.

Q7

如果不借助图示，怎么用文字定义（或者说区别）人的左手和右手？

by 匿名

答：
因为这个问题是人类提出的，我们就先为人类回答。
我们先说一个很随意的定义方式：大多数人的惯用手是右手。但是这一方法的不那么可靠，因为约有10%的人是左撇子。这意味着要观察不少人才能进行左右的判断。
进一步，另一个简单但是依然不绝对可靠地定义左右手的：离心脏近的是左手。但是这个定义也不是绝对可靠的，因为依然有非常罕见的“镜面人”的心脏长在右边，即使如此这个定义也足够使用了。
然而这个问题本身还可以再进一步，如果我们想要在和外星人而不是人类的交流过程中描述“左”，那怎么办？外星人也没见过人类，也不知道心脏，甚至不知道”手“。
在和外星人交流的过程中，我们能使用的可靠参照只有物理学基本规律，只有这玩意儿具有全宇宙的均匀性。在吴健雄团队发现宇称不守恒之前，人类学习到的所有物理学规律都是左右对称的，这意味着所有对于左右的物理学描述都是等价的。那为什么我们可以有基于惯用手和心脏的定义方式？因为人类的构造发生了对称性破缺，产生了左右不等价。
但是有了弱相互作用中宇称不守恒这一认知，我们终于可以向外星人描述左右了：以钴60的放射更多电子的方向为轴，钴60原子的自旋是左旋。
by Luna
Q.E.D.