文化呼伦贝尔

回到秦朝能发电么?|No.15

来源:cas-iop    发布时间:2019-06-10 18:12:39

我们专栏正在谋划着做一两期特刊

用很长篇幅的答案来详细回答那些一直拖着没回答的“大问题”。弥补目前的一些空白。

或者写一个小的专题,比如量子纠缠,双生子佯谬,薛定谔的猫,以及某个学科(比如经典力学,热力学等)的理论结构,物理学史等等等等。

欢迎大家在留言中告诉我们你最想了解的内容是什么?




1
Q

对于行星绕恒星做圆周运动难道不算是永动机吗?

一只可爱的羊

A

不要望文生义哦。

永动机分两种,第一种指不用从外界吸取能量并能源源不断地对外界做功的机器,叫做第一类永动机。

第二种指可以源源不断地从单一热源吸取能量全部转换为功而不产生任何别的变化的机器,叫做第二类永动机。

它们分别违背热力学第一定律(能量守恒)和热力学第二定律(熵增原理),实际上是不能造出来的。

所以做圆周运动的行星也好,做布朗运动的花粉粒也好,原子核外的电子也好,它们都“永动”,但它们都不是热力学中讨论那个的“永动机”。



2
Q

在生活中注意到似乎比较大的物体,如人、老虎之类的从高出下落会摔死,而蚂蚁、蟑螂之类的小动物却似乎多高都不会摔死,请问这是为什么?

大肠杆君 

A

这个问题很好,分两部分说。

第一部分叫空气阻力和终止速度。在空气中自由下落的物体的速度并不会一直增加,当空气阻力等于重力时,物体就做匀速下落运动了。这时候的速度叫做终止速度。一个物体受到的重力大小更它的体积,也就是线度的立方,成正比,一个物体的空气阻力大致与速度跟截面积(线度的平方)的乘积成正比。空气阻力等于重力,我们立即就得到一个结论,终止速度与线度成正比。也就是越大的物体终止速度越大。


第二部分叫标度变换与强度的关系。在很多地方都看到这样的描述:蚂蚁能举起自身体重几十倍的重物,如果蚂蚁像人那么大的话,它就能举起卡车。这个说法其实是不对的,错在把标度不变性套用在了不具有这种性质的对象上。如果蚂蚁真的像人那么大,它唯一的命运就是几根纤细的腿被自身体重压得站都站不起来。

之所以会这样的原因也类似。因为重力与线度的立方成正比,然而支撑你身体的骨骼的强度只正比于骨骼的截面积,也就是线度的平方;你的运动能力只正比于肌肉的横截面积,也是线度的平方。这导致的后果就是:结构相同的情况下,动物越大其实越脆弱,越容易受伤。(蓝鲸一离开水面很快就会死亡,并不是窒息,它是用肺呼吸空气的!原因是体重太大,离开水后血压激增导致心力衰竭。也就是自己把自己压死了)




3
Q

穿越回古代(比如秦朝)能发电么?虽然能发电好像也没什么用-_-#

最近一不小心迷上穿越文

A

为了这个问题专门跑去翻《史记》,真实太为难理科生了-_-#。(不过术业有专攻,我尽量而为,如依然有史实错误,望勘正。)

首先,秦朝的青铜冶炼技术已经非常成熟。而生铁冶炼技术起于春秋后期,西汉开始大范围应用,秦朝的冶铁技术就算没有成熟也不会差到哪里去。这样我们就有了两种电化学活性不同的金属,青铜和铁,理论上就有了制造原电池的可能性。不过由于铁和铜的电化学活性差得不是特别多加上铁中杂质多,青铜中又掺有少量锡。因此这个原电池的效率必定是极差的。

当然光有金属电极还不行,还要有酸和盐组成的电解液。这在秦朝还真不定有。因为常见的酸性植物,番茄啊柠檬啊那时都还没引进。唯一本地产的柑橘又在南方,而中国的南方大开发还要等到三国和南北朝。好在查了下发现“橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳”这句话原来出自《晏子春秋·内篇杂下》。而且顺手还发现了原来春秋时期我们就已经有醋了!所以酸液也有了~因此虽然电灯泡是完全没有机会造出来的,不过电池可能真的能造出来哦~

还没完,虽然秦朝有没有磁铁这个似乎没有定论,但磁铁是可以造的。将铁粉部分氧化成四氧化三铁,然后烧结成块材,再让它缓慢的降温到居里点以下,这样它就可以在地磁场的诱导下成为一个比较弱的磁铁(富兰克林说的)。这样有磁铁,有铁铜做的导线(当然那时的铁铜有可能延展性差不足以制成线,不过这无碍,不行我们就用金嘛),彼时蜀郡郡守李冰正在兴修都江堰,有一定的水利工程能力,那么......(~ ̄3 ̄)~




4
Q

既然蓝紫光波长更短,能量更高,为什么它的热效应反而没有能量更低的红光等的热效应强呢?热效应与什么有关呢?

深蓝幻想 

A

因为我们太阳的表面温度大概是五六千摄氏度。根据黑体辐射定律,这个温度下它发出太阳光中红光的能量密度远大于蓝紫光。换句话说,单位体积内的红光光子密度远大于蓝紫光光子。单个蓝紫光光子携带的能量的确高于单个红光光子。但那又怎样呢,一个是特种兵小分队,一个是抄家伙一起上的集团军。所谓武功虽高,也敌不过人民群众的汪洋大海。





5
Q

人类的十进制数学是否是一个大坑?(类似于十个手指与马屁股的老梗)为什么没有人从不同进制下研究素数在数轴上的分布规律?

三体人

A

因为数学家们都清楚,素数的分布和进制是没有关系的。5在十进制中是素数,在二进制中也是素数,只不过把名字换成了101罢了。

所谓二进制十进制实际上都只是数的不同表示,就像物理上的不同的单位制一样。一个物体有多重,并不会被选的单位是千克还是盎司所改变。




6
Q

固体物理是研究什么的?

早上好 

A

顾名思义,研究固体。更专业的说,以量子力学为基础解释固体的各种宏观性质的起源。更本质的,是研究很多很多原子以一定的规律与对称性组织在一起后,会演生出什么样的新的物理规律(比如能带,铁磁性,超导等),值得一提的是这些演生的物理规律有可能跟微观哈密顿量的具体细节不存在必然联系(比如相变)。也就是说,演生出来的规律可能不必由微观哈密顿量决定。更像是“凭空蹦出来的”。

      这种由数量和组织方式的复杂性导致新的物理规律的现象叫做演生原理,或者叫做“more is different”。




7
Q

宇宙中目前已知的最高的温度是多少?在什么条件下产生的?

大数字

A

除开宇宙大爆炸,宇宙中目前已知的最高温度在地球上,而且是人造的。它的值是5.5万亿摄氏度,制造方法是在欧洲核子中心的大型强子对撞机中把铅离子加速到近光速后再对撞。这个温度下即使质子和中子本身也会“融化”了,变为一种叫做夸克-胶子等离子体的物态。




8
Q

为什么玻色子有明确的简并转变温度,而费米子没有明确的简并转变温度?

iiii

A

因为费米子不能简并(doge脸)




9
Q

为什么硬的东西都是脆的

Braun 

A

这个问题好有趣。要回答也不难,首先要定义一下什么叫“硬”,什么又叫“脆”。所谓“硬”就是抵抗压强导致形变的能力。所谓“脆”就是指忍受形变的能力很小,延展性差,稍有形变就会被破坏。

为了说的更清楚,我们先列举几个硬东西的例子:金刚石,大理石,蓝宝石,水晶,玻璃。我们再列举几个又软延展性又好的例子:橡皮筋,熟料袋,你的脸。

不知道你注意到没有,这两类最大的区别:硬的一边都是直接通过原子的共价化学键相连的(注意,玻璃虽不是晶体,但它也是共价键相连的,只是没有周期结构而已)。而软的一方都是通过氢键和分子间力拴在一起的。

这样问题就很简单了,共价键的强度远大于氢键和分子间力,因此共价键很难拉开,分子间力却可以轻易拉开。因此在相同的形变下,共价键物体需要更多的功,就表现得“硬”。但由于共价键本质上是原子外层电子波函数的叠加,所以作用范围非常短,跟原子的尺度是一样的,也就是共价键稍微被拉远一些就无法继续保存共价键了。而分子间力由于不要求波函数直接叠加,所以作用范围也大得多(比如橡皮筋中的分子间力主要靠熵增~)。于是硬的东西往往比软的东西“脆”。

注意我在这里回避了讨论金属键的软硬问题,因为金属的软硬分析比较复杂,要分析具体的晶体结构,要分析位错的生长,以及具体的杂质带来的位错钉扎。



10
Q

为什么玻璃能透光,墙壁不能?

硝酸钾 

A

这个说起来就长了吧,对于大多数材料只要原子间没有自由电子(像金属或者半导体那一类)都具有一定的透光性,而玻璃也就是二氧化硅或者硅酸盐这种材料来说本身对可见光的吸收很少,其实二氧化硅不管是非晶态(玻璃)还是单晶(水晶)都是一样透光的。但是对于单一一种材料来说一旦这种材料变成多晶就会变得不透光,因为多晶是由大量的小晶粒组成,晶粒与晶粒之间有晶界,光在射入材料时会在这些晶界上发生散射而无法通过具有一定厚度的材料,就比如原本完全透明的水在缓慢结冰或者成为积雪的时候就会发白而变得不透光。另外,组成墙(砖块,水泥,混凝土)的成分非常复杂,含有各种硅酸盐矿物质,他们物质本身能透过的光波段不同,而且都是以多晶态的形式存在,所以一般的墙几乎都不会是透明的(除了玻璃墙~)。



11
Q

重费米子有哪些有趣的现象,为什么要研究它?

大伽马

A

首先声明“重费米子”并不是基本粒子,而是指一些包含铈、铀、钚等稀土或锕系元素的金属化合物中的电子。这些电子间的相互作用很强,每个电子都挟裹着周围的电子一起运动,就像早高峰挤地铁,非常迟缓,显得甚至可以比质子还重,因此就叫重电子(费米子)啦!那么问题来了,质子质量是电子的多少倍?

重费米子材料中有非常多的奇异现象,如非费米液体,要求找到新的物理概念和理论描述(想想“非香蕉”是个什么玩意儿);非常规超导,要求找到超越现有超导理论的新机理;还有“隐藏”序,顾名思义,隐藏起来的秩序,就像北京夜空中的银河;更奇异的是,这儿的电子还有局域-巡游二相性,能同时超导,自由流动,又形成磁性,局域不动。因此一点儿都不奇怪,这儿有很多第一:第一个非常规超导体,第一个自旋三重态超导体,第一个三维拓扑近藤绝缘体等等。在未来,我们还会发现更多的神秘量子态,找到决定其集体行为规律的基本原则,发展新物理,建立新理论。



特别致谢 C. R. Cao  Y. F. Yang 参与部分问题的讨论和回答!





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