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原创 2016-12-23 Frions 中科院物理所 物理所科研动态和综合新闻；物理学前沿和科学传播。  听说团队里有小伙伴给我们的Frions做了个logo 啧啧~ 科学如此美丽，我们心向往之~ by miracle A 首先我们得说：颜色本质上并不是物体本身固有的属性，或者更大胆地说，任何事物都是没有颜色的。我们之所以看到一个苹果是红色的，是因为它反射的光线进入我们眼睛，刺激我们的视觉神经，使我们产生了“红色”的知觉。所以这涉及到两个过程：在光线进入眼睛之前的物理过程和光线进入眼睛后的生理（心理）过程。 先来说物理过程。我们能看到的物体，要么它是光源，要么它能够反射的光线。如果它是光源，那么它发出的光谱完全取决于它自身的性质（温度、元素组成等）；而如果它是后者，那么从它发出的光线就不仅仅是取决于这个物体本身的性质，还取决于入射的是什么光（谱）。例如打开的白炽灯无论什么时候看都是白色的，而一件正午时刻看起来鲜红的衣服，在傍晚的余晖中却似乎有点儿深红。正是因为这样，衣帽店即使白天也要开着柔和的灯光，这样他们才能保证衣帽不“变色”。 物体发出的光谱并不完全等于进入我们眼睛中的光谱，因为它还要穿过介质。雾霾天惨红的太阳和晴朗天气中刺眼的骄阳它们发出的光线并没有什么区别，只是前者的光线要穿过一层厚厚的醇霾，这层霾更大程度上（相比着空气）改变了太阳的光谱。 光线进入眼睛，穿过角膜、瞳孔、晶状体、玻璃体，打到视网膜上。视网膜上有两种感光细胞：视杆细胞和视锥细胞。这些细胞内含有视色素，视色素在光线照射下会发生一系列化学反应，产生神经兴奋，但它们只对特定谱段的光线敏感。能够产生色彩感觉的是视锥细胞。在我们的视网膜上有3种视锥细胞，分别包含光谱吸收峰在光谱红、绿、蓝区的视色素。这里也是我们“红+绿=黄”这样的公式能够成立的原因。但是到了晚上（光线强度较低），由于视锥细胞光敏性没有视杆细胞好，这时主要是视杆细胞发挥作用，我们看到的物体就似乎只有黑白色了。 总结一句的话就是：颜色只是我们的一种感觉，而不是物体的固有属性；它取决于光源的光谱、反射物体、中间介质以及我们眼睛（感光材料）这一完整的光路。我们说苹果是红的，那只是我们把自己的感觉强加给苹果的；苹果人家愿不愿意，还真说不定。 参考： 1. http://dba.med./price/irf/Adobe_tg/color/ main.html（光、物、视觉） 2. https://www.zhihu.com/question/30251879（关于视觉色彩） 冻雨的形成机理是怎样的？ by 冻雨 冻雨是一种灾害天气，其实质是过冷水。正常条件下，水在零摄氏度下即从液态转变为固态。但当水纯度很高时，可以在低于零度时保持液态，这种状态被称为过冷却状态，过冷却水形成的原因是缺少凝结核。凝结核会破坏过冷水中的热力学平衡，使水自发的发生相变，外界的扰动也可以产生相同效果。冻雨在高空时为过冷却水，而降落到地面或其它建筑表面时，则会迅速凝结成冰，可能对电缆等设施造成危害。 想象一辆密闭的火车高速匀速行驶，期间打开一扇侧壁上的窗户，空气相对地面静止，则风在向车尾方向吹。根据伯努利方程，能不能认为窗外气压低空气被吸出车厢？如果可以，以地· 面为参照系岂不是得到相反的结论？ By 王操 这个问题实际上并不能用伯努利方程来解释。首先伯努利方程适用的是定常流动，也就是说，空间中某一点流体的速度是确定不变的。而在地面系中，火车运动，求解的问题不是一个定常流动的问题，所以无法使用伯努利方程。在随火车运动的参考系中，我们可以将流体认为是“近似定常”也就是稳定的。通过很简单的推理我们可以知道，无论风从窗户往里进或者往外吹，都是有进有出，这样车内的空气量才能平衡。这样的话，我们就能发现在这个问题中实际上是存在湍流的。这样的话也违背了我们在推倒伯努利方程式没有“旋”的假设。故这个时候伯努利方程也不适用。这个问题的正确解法应该是采用纳维-斯托克斯来求解。 声音是如何消失的，如果声音不扩散，那么另一方无论多远都听得到吗(有介质的情况下)? By Energy Unchanged 声音是介质的的规则振动，它的消失主要可以考虑两个方面。第一个方面是距离引起的强度变化，音量的大小大致和声源与听者的距离平方成反比。可以将声波看成是球面波的扩散，而任意球面上的能量是一样的，所以越远，声音扩散的球面越大，这个能量密度也就越稀疏，这也就是你不想考虑的声音扩散。第二个方面是介质粒子的无规运动引起的耗散，声音可以看成许多粒子集体的规则运动，由于介质粒子之间的碰撞和相互作用，传播声音粒子的运动状态不断改变，那么这个规则的振动形式就会越来越微弱，最后就表现为声音听不见了。这个和摩擦使物体减速，道理是一样的，只不过大块物体是平动，这里是介质粒子集体的振动。 遥远星球发出的光有红移，怎么知道它红移了多少？毕竟没有对比的光谱~ By Lucypher 要想知道物体发出的光红移了多少，其实不用对比他自己的没有红移的谱，只需要找到某个元素的特征谱就可以了。比如氢原子的光谱有很多特征吸收线，这些吸收线对应于氢原子的不同能级的能差。虽然红移会使得这些吸收线在光谱中的绝对位置发生改变，但是由于氢原子的不同能级差是固定的，这些线之间的相对关系并不会改变，我们只需要擦亮眼睛好好识别一下这些线之间的关系就知道这个恒星一定含有氢元素。我们再根据没有红移的氢原子光谱对照一下就知道红移量是多大了。也就是说，我们判断红移不是根据一条谱线判断的，而是一套或者几套谱线，每一套中的相对关系是我们判断红移的标准。这就像虽然条形码在商品包装上的位置改变了，但是条形码本身是不会变形的，我们只要找到它，就能够判断商品是多少钱，还知道条形码究竟发生了怎样的挪动。 严肃的告诉我，到底有没有外星人？ by waixingren 在人类可感知的范围内，恒星的数量约为1024颗（地球上沙子的数量约1018粒），其中5%-20%与太阳类似。按照最低限5%计算应该有1022颗。这些恒星中如果有1%的行星与地球类似，其数量高达1020（地球上每粒沙子对应100颗类地行星）。如果在这些类地行星中有1%的机会出现生命，其中又有1%的机遇发展到类地文明，那么这个量有1百亿个，仅银河系，就有10万个。你觉得有外星人么？ 为防止你头脑发热，我还得补充一个数据，光在真空中的传播速度为3*108米/秒，至今无人能敌，即使这样的速跑冠军想走出银河系也得10万年，你对人类有什么建议？ 下面开始脑洞了，大家系好安全带~~ 那我们为什么找不到他们？ 可能一：来过，当时我们不在（毕竟有记录的人类历史只有5千年） 可能二：悬臂理论（人类生活在宇宙的边缘，穷乡僻壤，没人愿意搭理我们） 可能三：我们感知到的是虚拟现实 可能四：宇宙人不对外广播（我没有看过三体） 可能五：人类太落后或者太先进（他们用手机，我们用对讲机） 可能六：动物园理论（你明白的） 可能七：高等文明就在身边，我们太原始（蚂蚁是否也在寻找我们？） 可能八：未完待续 中学时代学习物理，知道导线通电后产生磁场，磁场有能量，断电时磁场消失，能量哪里去了？能量守恒呀！问过老师，没有得到答案。能解答我这30年前的问题吗？ By 王操 断电这一过程，可以理解为通电的逆过程。导线通电产生磁场，磁场有能量，那么磁场的能量是从哪里来的呢？这个自然是电场给予的能量。所以呢，通电时，一部分能量从电场转移到磁场，断电时，这部分能量又从磁场转移到电场。 这个过程在导线上难以辨别，我们可以把导线绕起来，做一个漆包线线圈（假定这一部分电阻极小）。我们用线圈，导线，直流电源，灯泡连成电路。线圈与灯泡串联，通电时，灯泡会慢慢变亮，断电时会慢慢变暗。而并联时（假定自感系数极大），断电时灯泡会闪亮一下再熄灭，这就是自感现象。 无静止质量的粒子自旋为什么不能为零？ By 123 我猜提问者大概是想问光子（无质量自旋1玻色子）的自旋为什么不能为0，因此为了方便（偷懒）我们只讨论自旋为1的粒子。先简述一下原因，因为并不存在这样的参考系：在这个参考洗里该粒子静止。如果去求解自旋算符的特征值，的确可以得到三个正交解，但其中一个解被上述的原因给排除掉了，因为该解对应一个不传播的场，对于零静质量粒子，当然就什么都没有喽。关于这一问题还有其他等价的回答，例如还可以从群论的角度分析转动对称性，也可以从规范不变性得到相同的结果，因为过(zhen)于(de)冗(bu)杂(dong)就不在这里列出了。 小编你可以计算出能形成固体（以地球岩石为主）行星的最大体积吗？ By: Limit 我们的地球大部分都是由固态的岩石构成的——除了地核的外核以及地表的那些可以忽略不计的东西之外。地幔在地质学尺度上表现得像个粘稠的流体，不过在我们日常的角度看来也绝对是固态的。不过这为我们解决这一问题给了一个提示，地球没有变成完全的固体，很大程度上是因为地心的高温（主要来自于放射性元素的衰变）融化了它们。如果地球完全冷却下来，情况应该会好(？)得多。 岩石时由一种或多种矿物组成的集合体，种类繁多且性质各异，可以说是相当复杂的。不过我们可以选取比较简单的单一物质来估计这一问题。整个地壳的平均成分化学元素组成与安山岩（我也不知道这是什么，一种火山岩吧）类似，如果以氧化物的形式表示的话，大约有六成是二氧化硅SiO2。石英是一种常见的造岩矿物，它的成分也是二氧化硅，我们不妨那它来做估计（也许你会觉得六成还是不够“主要”，但是跟那些真空，光滑，质点之类的我已经很收敛了，这是物理所）。现在我们就要开始打造我们的行星了。 随着半径的增大，在核心处的岩石收到的压力也会越来越大，到最后就会变成某种“不是岩石”的东西，然后根据这个压力估一下结果就可以了。粗看起来这个题目似乎并没有什么坑，让我们来查一下高压下二氧化硅会发生什么变化…… 呃…… 等一下…… 好吧…… 在地球上，当岩石经历高压，一般同时伴有高温时，会发生一系列变质作用。在这一过程中，岩石变得更为致密，许多性质发生变化。 在这里，我们将岩石简化为了单一物质，但是这并不见得会把问题简化多少。简单搜索一下就会发现已知的二氧化硅的固相就有十多个，至于它们的性质到底怎么样相变的边界在哪里，好像也没有研究得很清楚。已知的几个相中有一些是在100GPa以上高压条件下得到的，还有一些需要在高温下得到。不过不管怎样，我们几乎可以肯定，即使按我们之前的假设保持较低的温度，随着压力的增加，行星中央的岩石会不断的发生相变，逐渐变为更加致密的物态。 如果我们对星球的要求很高，只能是完完全全的由普通石英构成的话，那么至少在几十到几百MPa的压强下，我们的石英就会变质。这样估算的话，我们的星球的半径只能有几百公里。 这个显然是太小了一点，简单估算一下就会发现，地壳底下都不止这么点压强。既然我们会认为地幔是岩质的，那么我们理应尝试更高的压强。 当我们的星球继续增长到半径接近一万公里的时候，我们可以拿地球做个比较。地球的半径比这个小一些，但是含有更多的重元素。相比之下，石头还是很轻的。地球核心的压强大约是三四百GPa的样子,目前人类能够稳定得到最大压强是由金刚石压腔制造的，也差不过是几百GPa，不过在这些环境下看起来我们的二氧化硅还依然是“固态”的样子，似乎也符合我们对于岩石的定义。看来要想获得最大的行星，我们还需要对更高压的物态做一些猜想。 通常情况下，二氧化硅都是一种晶体，相对于其他的常见物态来说已经是很致密了，如果在高压下再突然变成液态恐怕不太可能。但随着压力的增加，共价键将不足以支撑晶体结构，一个猜想是，它将变成电子简并物质——就是构成白矮星的那种东西。 (我依稀记得我们一开始只是要用普通的岩石而已) 我不太想的明白中间的转变过程会是什么样子的：也许这会是一个明显的相变，也许不是。总某种角度来说，共价键本身就与电子的量子性质有着密切的联系，从某种角度来说金属和电子简并物质也有些相像【我不知道我这样说有没有问题，也许需要修改一下】，我们不一定能严格的区分他们。 当我们的物质加到一定程度的时候，行星（？）的大小反而会开始缩小。因为行星表面的引力场会变得十分之强，原本厚厚的“普通岩石圈”会被压缩的很薄。在往上，行星会很快坍缩，使得大部分的物质都是电子简并态，形成一颗白矮星。 不管怎么样，我们的估算可以到头了。当然如果我们继续加的话，还会变成中子星，黑洞什么的。不过问题问的是最大体积，那么行星体积最大的时刻，就应该是在行星大小开始缩小的那个临界点上。至于具体是多少…… 参考网站：【http://what-if./67/】 为什么量子纠缠现象不能代表超光速通讯呢？ By Taresa 我们首先要明白，信息是有序的代码组合。而量子力学的随机性导致不可能借由纠缠发生超光速通信。我们直观地举个栗子~~设想小明和小白分别拿着一个球，这两个球有这样的规律L：如果发现A球是白色，那么B球是红色，反之亦然。小明看自己的球，发现红、白、红、白、白……的序列，小白发现白、红、白、红、红……的序列。虽然我们可以明白这样的规律，但是在他们碰头以前，他们只能发现自己的球的随机变化，并不能明白规律L，是碰头的这个非超光速过程让他们获得了规律L的信息。那么碰头之后，他们发现了规律L，他们又能做什么呢？事实是什么也做不了，因为球的颜色变化是随机的，他们根本无法利用这个随机的序列来编码信息。总之，如果我们设计一个利用纠缠传递信息的体系，必然能找到bug；否则必须借助信息在空间的连续传播。量子力学的随机性是它最不可理解和神奇之处，其实它正是纠缠现象在信息不能超光速要求下的必然结果。有兴趣的同学可以看看参考书籍：《跨越时空的骰子——量子通信/量子密码背后的原理》。  本期答题团队： 物理所 Wei、清华 物理系41的同学、北理工 文卿、理论所 W.Jia、大化所 J.Baker |
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