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第29页



24.为什么地球等天体是圆的?

假设现在有个星球是正方体。

接着喜闻乐见的bug出现了——

如果说正方体的体心到面心的距离是R的话,那么正方体的体心到顶点的距离就是R1/3  。也就是说顶点离星球的中心更远,引力势能要大于面心的引力势能。要知道,整个宇宙都是些懒家伙,能在低能量的状态待着就绝不愿意在高能量的状态待着。

正方体星同学寻思耍个性的代价有点高,于是伸个懒腰开始把顶点附近的物质慢慢往面心附近捏。顶点慢慢往里面凹,面心慢慢往外凸。

什么?没有手怎么捏?

好问题。我们知道万有引力定律,说的是行星上每一块石头、每一块泥巴都对你有一个引力。而所有石头、泥巴的引力的矢量和就是行星对你的引力。

对一个正方体的表面来说,引力的方向并不是处处垂直向下的。比如,你站在面心靠左一点的位置,你的右边就会比左边有更多的石头、泥巴。这样加起来的引力就会有一个分量把你往面心那边推。

所以,引力就是捏泥巴的手。什么?行星上全是固体物质,固体形状不能随便改变?要知道,  固体形状不能随便改变这点小脾气,遇到质量足够大的行星时就是个战五渣了,引力作用高兴怎么捏就怎么捏。

而正方体君会一直捏一直捏,一直到不能再继续减小引力势能了为止。(引力势能差不足以弥补捏的过程中带来的能量损失。引力没有很快捏平一座山,因为现在的山都太矮了,不划算,引力不屑于捏。)

于是当正方体君心满意足地停止捏泥巴后,它发现自己变成了一个球。

(说明:本题答案原载于知乎,作者sym  physicheng就是物理君本人,因此不构成侵权。)

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25.为什么行星的光环总是在行星赤道上空?

行星环一般被认为是行星的卫星进入行星的洛希极限内被行星的潮汐力撕裂而形成的,也有可能是其本身就在行星的洛希极限内,因为行星的潮汐力而无法形成卫星。不论是哪种情况,行星环形成的关键都是行星的潮汐力。行星的赤道平面上潮汐力最大,在行星潮汐力的牵引下,构成行星环的物质就会绕着行星赤道所在平面运动。

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26.宇宙中目前已知的最高的温度是多少?在什么条件下产生?

不算宇宙大爆炸,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也会“融化”,变为一种叫作夸克-胶子等离子体的物态。

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27.黑洞有温度吗?

这个问题大家不太熟悉,但是与它等价的另外一个问题,大家一定能栩栩如生地描述它,那就是黑洞的辐射问题。

这里还要再说一遍黑洞辐射的问题:霍金发现黑洞的能量可以注入虚光子,使得这一对伙伴远远地分开,其中一个光子坠入黑洞,而另外一个光子失去湮灭的伙伴。留下来的光子将从引力中获得飞离黑洞的能量和动力,在它的伙伴坠入黑洞时,它将飞出黑洞,这一过程在黑洞视界周围反复发生,从而形成了不间断的辐射流——这是考虑量子效应的结果——远处的观察者能观测到与辐射对应的温度,该温度由黑洞视界处的引力场强度决定。

这个问题的起源即是“黑洞熵”。根据广义相对论,黑洞内部应该是高度有序的状态,这显然违背了熵增原理。霍金在研究中发现,如果能为黑洞赋予一定的非零的温度,就能很好地解决这个问题。借助相对论和量子力学有限结合的部分,冗长的计算得到的最终答案是:黑洞有熵,也有温度。以三个太阳质量的黑洞为例,其熵约为1后加78个0,其温度约为10-8开尔文。

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28.为什么黑洞会蒸发呢?

因为根据量子场论,真空可以凭空产生正粒子-反粒子对。正常情况下产生的正反粒子对过一段时间后又会互相撞到一起凭空消失,即湮灭。

但如果正反粒子对刚好产生在黑洞的边界上,那就有可能一个粒子掉进黑洞中,另一个粒子在黑洞外面。进入黑洞的东西永远不可能再出来,于是没有掉进黑洞的那个粒子就无法湮灭了,只能继续在空间中流浪。

这个过程的结果就好像宇宙中凭空多出来了一个粒子。事实正是如此,不过付出的代价是黑洞的等效质量少了一个粒子,相当于黑洞向外界蒸发了一个粒子。这就是霍金提出来的黑洞蒸发。

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29.大恒星死亡后会形成黑洞,那么黑洞会不会死亡并形成其他天体?

会通过霍金辐射辐射出粒子并逐渐消失蒸发掉,不过速度非常慢,质量越大辐射得越慢。一个太阳质量的黑洞辐射等效的温度只相当于60个纳开尔文,也就是仅仅比绝对零度高了6×10-8  开尔文。而一个和月球同质量的黑洞辐射等效的温度差不多有2.7开尔文。这有多小呢?它意味着,像太阳质量那么大的黑洞要彻底蒸发消失,需要耗费1067年,而宇宙的年龄大约才1010年。

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30.宇宙的年龄是130亿年。从宇宙诞生算起,光难道不能走130亿年吗?为什么我们能观测到的宇宙有970亿光年?

宇宙的年龄大约是130亿光年,这个时间是通过各种方法综合得出的,其中一种就是先寻找宇宙中最古老的白矮星,再考虑形成白矮星之前恒星的演化,以及恒星演化和宇宙诞生在时间上的关联,综合这些因素推算出宇宙的年龄是130亿~170亿光年。

而所谓的可观测宇宙是970亿光年,指的是我们最远能看见来自970亿光年远的地方发出的光子。宇宙是在不断膨胀的,根据哈勃定律,距离我们越远的东西膨胀的速度越快,且空间的膨胀速度是能超过光速的。(因为此过程并不携带质量和信息,所以不违反相对论。)这就使得光子在到达地球时,其光源的距离比它发出该光子时离我们的距离要远,所以我们能观测的最远距离比光速乘以宇宙的年龄要远。

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31.什么是宇宙学红移?什么是引力红移?什么是多普勒红移?

多普勒红移是指,如果一个发光源一边发着光一边以一定速度远离你,那么你看到该发光源发出的光的频率就会变小(程度取决于这个速度有多接近光速)。

引力红移是指,一个光源从一个有很大引力的天体往外发射光线,这个光线的频率会变小,变小的幅度取决于引力的强弱。光线的频率变小意味着光线的能量变小,能量变小的原因可以认为是一部分能量拿去克服引力了。(这个说法并不严谨,因为在强引力场下定义引力势能并不是一件很简单的事。)

宇宙学红移是指,宇宙在膨胀,离我们越远的天体就以越快的速度远离我们,所以我们看到的它们发出的光的频率变小了。

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32.在暗能量主导的宇宙中,宇宙会以近似指数加速膨胀。既然宇宙中任意两点间的距离都在不断增大,那为什么星系或者更小的结构不会被撕碎呢?

先科普一下弗里德曼方程。这是一个描述宇宙几何结构的方程。宇宙的任何一点都在以一定速度远离彼此,就像一个正在吹大的气球的面一样。不过,我们的宇宙是一个四维气球的三维面(如果不考虑时间的话)。要注意区分束缚态和非束缚态哦。空间中的物质并没有被某个钉子钉在某一点,它们可以在空间中自由移动,当然,这依然要服从物理定律。对于束缚态的系统(比如单个星系),它自身并不会随着空间的变大而变大。如果还是觉得含糊,你就想象气球上放两个吸在一起的小磁铁,吹大气球它们也并不会分开。空间膨胀效应要通过互相自由的系统才能观察(比如相距遥远的两个星系)。

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33.太空中的反物质是否能被观测到呢?如果可以,应该怎样观测?

我们知道,我们眼前所见的桌子、椅子、手机、电脑都是由原子组成,而原子是由质子、中子和电子构成,这些我们称为正物质。当然这么定义只是为了和反物质区别。而所谓反物质,即除了质量外,其他所有性质都和正物质相反的物质。