黑洞吸了那麼多東西都到哪裏去了?| No.123

中科院物理所2018-10-11 08:06:25


十一長假

小夥伴你萌還好嗎?

你們是去參觀了人山人海

還是卧牀不起呢?

老夥計我可是沒閒着哦( 。_ 。) ✎ _

這期我們聊聊被黑洞吸進去的東西都到哪去了!

搭配BGM食用更佳 ╭(●`∀´●)╯(點擊音頻圖標即可食用)


1
Q

生物體積的極限是多大?

by 匿名

A

對於陸地生物來説,重力是限制其體積的重要因素。動物體積變大,其體重隨着尺寸的三次方增加,而肌肉與骨骼增加橫截面積,和尺寸是二次方的關係。因此隨着動物體積的增大會變的連站立都不能做到。非洲象是陸地上最重和第二高(僅次於長頸鹿)的動物,雄性肩高約為3-4m,體長在6m以上,體重為5-6t,雌性估計只有雄性的一半大。假設存在質量比地球小的,具有生命的行星,由於該行星重力小,因此陸地動物的體積便比地球上大。但行星如果太小則無法吸引並維持大氣層(假設那個行星的生物仍需要大氣層),因此這限制了外星需要大氣層的陸地生物體積為地球陸地生物的10倍以內。對於海洋動物而言,其不必對抗重力,因此其體積更大,另外這和海洋環境沒有陸地多變也有一定的關係。但是海洋生物的大小也並非沒有限制。動物需要心臟來循環血液,進行全身的物質能量交換,如果體形過大,末端的毛細血管就很難循環。從熱力學角度來看,動物的代謝會產生熱量,因此需要散熱。假定哺乳動物需要生存,其全身代謝速率至少要達到每納克萬億分之一瓦,熱力學將動物最大的體重限制在了100萬kg左右即1000t。

目前已知的最大的海洋生物,也是地球上最大的動物為藍鯨,其體長可以達到30m,平均體重170t,離1000t還相差甚遠。但重達1000t,體積約為藍鯨5倍的生物,真的能夠潛藏在食物稀少的深海中,以至於至今還沒能探測到嗎?

不考慮自然因素的話,理論上經過基因改造可以在超大水族箱中培養出這麼一個龐然大物。但是自然界中存在各種各樣的制約,因此動物實際上的極限體積並不會超出現在已發現的最大值太多。

植物其組織剛性比動物大,因此可以長的比動物更高。雪曼將軍樹(General Sherman Tree),已超過3500年樹齡,高83.5m,周圍31m,是今日世界上最大最老的大樹。植物的高度是有限的,因為水分能夠運輸到的高度是有限的,理論上最高不會超過100m。

Emmmmm,也許你會想,那如果植物橫着長呢,是不是就可以無限大了?在俄勒岡州,科學家們發現了一個超過2400歲,佔地超過8.8平方公里的奧氏蜜環菌。不過這是以地下延伸的菌絲/根狀菌索的形式存在,事實上其單株的大小和普通蘑菇差不多。無性繁殖的後代具有相同的DNA,如果把它們看作是一個單體的話,這將是地球上最大的生物。理論上講,如果不存在生存制約,它可以鋪滿全部的陸地。

By Patwf


2
Q

為什麼熵值會隨時間推移一直增加?


by 匿名

A

嚴格來説,熵會一直增加的説法是不正確的。

熱力學第二定律指出,孤立系統的熵永不減少,即dS≥0。在這裏需要玩一個數學上的咬文嚼字遊戲,不減少並不意味着一定要增加。整個系統平衡時,其熵達到最大,而達到平衡的系統不會再發生任何自發的變化。因此熵並不會一直增加下去。

By Patwf 


3
Q

為什麼汞和週期表附近的金屬不同,能在常温下呈液態?             

by  匿名

A

我們知道汞是元素週期表中最特殊的一類金屬元素,她的熔點是-38.83攝氏度,是唯一在常温下保持液態的金屬。要想知道為什麼,我們首先要了解原子內的排布規律。

原子中的單個電子運動方程是薛定諤方程,是一個二階偏微分方程。對此方程求解,要使解出的函數有合理的物理學意義,就要引入一套參數n、l、m為限制條件,這個叫量子數,他的取值規則如下:n=1,2,3,… …n為自然數,l≤n-1,m=0,±1,±2,… …±l。一套確定的參數,可以確定一個波函數,就代表了一種電子運動的穩定狀態,為原子軌道。其中l量子數對應的我們稱之為s亞層,p亞層,d亞層,f亞層等等。自旋量子數ms代表電子自旋運動的量子數,是第四種量子數,自旋量子數有兩個取值+1/2,-1/2。

以上四個量子數確定原子內的一個電子的運動狀態。而原子的電子排布規律還要滿足以下三個規律:

(1)泡利不相容原理:兩個全同的費米子不能處於相同的量子態,原子內的電子是標準的費米子,所以就是一個原子不能有相同的量子態的電子。

(2)能量最低原理:電子總是最先排布在能量低的軌道上。

(3)在等價軌道上,電子總是儘先佔據不同的軌道,且自旋方向相同,當等價軌道上全充滿時,半充滿時和全空時,能量最低,結構較穩定。根據這些基礎知識,我們知道汞的原子序數是80,它的排布是 5d106s2,金的原子序數是79,它的排布是5d106s1 ,鉈的原子序數是81,它的排布是 5d106s26p1。另外原子軌道也會受到的影響。根據狄拉克的相對論量子力學理論,我們知道原子軌道有三種相對論效應:相對論分裂、相對論收縮、相對論膨脹。並且隨着能級的增大,相對論效應愈發明顯,對於金,它的5d軌道由於相對論效應而發生明顯膨脹,6s軌道發生明顯收縮,導致5d上的電子容易吸收能量較低的藍紫光的光子躍遷到6s,從而產生共用電子,形成金屬鍵,同時這也是金顯黃色的原因;同樣的,對於汞,6s軌道已經填滿,而由於相對論效應,6s軌道與6p的能量差值變大,使得6s電子形成惰性電子對,異常穩定,故,汞原子之間無法形成金屬鍵,只能以分子間作用力相互影響,所以汞在常温下是液態。

不考慮相對論效應軌道示意圖

考慮相對論效應6s軌道單電子佔據示意圖

考慮相對論效應6s滿佔據軌道示意圖

By  lagrangeju


4
Q

為什麼1/3=0.33333,2/3=0.666666,而3/3就是自然數1而不是0.999999呢?


by 阿修貝爾

A

By Patwf


5
Q

謝謝由物體吸放熱公式:Q=cmΔt。將Q換成PV,得PV=cmt。那麼在同温同壓下,等質量物體體積與比熱容成正比。顯而易見,這個推論是錯的,那麼為什麼錯了?謝謝回答!


by  匿名

A

熱力學第一定律指出 

當不做非體積功時 

因此便有 

可以看出來,當內能不發生變化,即dU=0時才有 

也就是説用Q替換PV的前提是內能不發生變化,但是內能是温度的函數,即t變了U就要變,因此pV≠cmt

By Patwf


6
Q

電影中現實中能做到嗎,如果能做到肉體和反應需要鍛鍊到什麼程度呢?


by 老師,我想念研究生▄█▀█●

A

我們經常在電影作品中看到主角使用刀劈子彈的場景,《金剛狼》、《殺死比爾》等電影中就有類似的橋段,《功夫》中的火雲邪神更是直接徒手夾住飛來的子彈。畢竟都已經8102年了,刀劈子彈都不會的話都不好意思當主角。

但是這種場景真的有可能出現嗎?如果單純看刀和子彈的硬度的話,實際上普通的家用的切黃油的刀就可以將高速運行的子彈切開。有人將下圖中的刀固定在一個平台上然後對着刀開槍,用高速攝影機拍攝下子彈被切開的過程。

但是顯然這種“刀劈子彈”不論從哪個角度看都不能滿足題主的要求,題主想要的是使用肉眼捕捉到子彈的彈道,然後將其一刀劈開。這就有很大的困難了,迄今為止,還沒有人成功做到過。

但是有一個日本人卻聲稱能夠劈開時速接近100m/s的bb彈,他就是町井勛,使用“居合術”中的“一擊必殺”拔刀術,將bb彈劈開。町井勛自5歲起拜師學武,現在已經成為居合道名家。曾經創下36分5秒刀砍1000卷草蓆的世界紀錄。

他站在離射手大概20米的位置,在聽到槍響之後迅速拔刀,實際上可能更接近把刀“擺”到bb彈要經過的路徑上,然後子彈撞到刀上被劈開。但是這離刀劈子彈還有很大的差距。畢竟即使是手槍子彈在一般情況下速度也能達到400m/s,顯然町井勛對手槍子彈還是束手無策的,更不用説速度更高的步槍甚至狙擊槍子彈。

以電影中的距離大概為20米來進行計算,實際上主角一般還沒聽到槍響,子彈就已經到面前了,我們假設主角看到火光就出刀,光傳播的時間忽略不計,那麼50毫秒內主角就要完成反應和出刀,但是正常人的反應速度在300毫秒左右,運動員經過特定練習對特定刺激(發令槍)的反應速度可以縮短到150~180毫秒(刀劈子彈特定練習恐怕也有難度,畢竟是送命題),人類反應速度的極限目前公認約為100毫秒左右。所以人類基本不可能完成這個任務,而且比反應更難的是捕捉到子彈的彈道,以及揮刀。

雖然人類難以完成題主的這一任務,但是不要沮喪,隨着高速攝影和人工智能的崛起,機器人很有可能能夠實現“刀劈”子彈的創舉,先進的高速攝影技術已經能夠實現近4.4萬億幀每秒的拍攝速度,而電機的速度帶動機械臂可以輕鬆達到所需要的揮刀速度,計算機更是能夠以非常快的速度準確計算出子彈的彈道。通過捕捉人類揮刀動作,機械臂也能夠實現類似的揮刀動作。日本安川電機就做了一個機器人(更準確的説是一個機械臂)跟町井勛學劈草蓆的技術。詳見下面視頻日本安川機器人 VS 日本劍道高手町井勛。不過把這些技術整合到一起還有很長的路要走,相信在不遠的將來,人類能夠造出可以“揮刀劈子彈”的機器人。

By 望江樓


7
Q

請問一個金融的女生怎麼樣可以找一個學物理的男朋友?謝謝!


By 匿名

A

解決這個問題的思路和許多物理問題很相似。物理公式、定律是普遍的真理,但應用去解決某個問題時需要具體化。以牛頓第二定律為例,F=ma,這個是普遍的規律,但是遇到具體問題時你需要去分析物體所受的力,而力是多樣化的。

實際上就是從一般到特殊的演繹法。找一個學物理的男朋友,換句話説就是要找一個男朋友,且男朋友是學物理的。因此,問題的最重要因素在於——你得先能夠找一個男朋友。從數學上來講,男朋友是男性朋友的真子集(一般來説男朋友的數量小於男性朋友),而學物理的男朋友則是男朋友的子集。找對象這個事有很多緣分在裏邊,因此從實驗結果來看,往往具有隨機性,那麼如果你的男性朋友裏學物理的佔的比重很大,男朋友是學物理的概率就會提升。

Emmmm……也許你會想,那有的人買彩票一次就能中獎呢,説了這麼多,能不能痛快點,來點很直接的方法?

當然有了!

第一步,打開手機中的地圖APP;

第二步,在搜索欄輸入中國科學院物理研究所;

第三步,點擊“到這去”

接下來就看你的本(mei)事(li)了

當然私戳小編也是可以的 ฅ՞•ﻌ•՞ฅ̊

By Patwf


8
Q

粒子在磁場中運動時B可以與v不垂直,我無法想象B不垂直於v且B與v形成的平面與F垂直,難道左手定則不適用嗎?

by 物理學渣

A

洛倫茲力是帶電粒子在電磁場中運動所受到的作用力,可以用洛倫茲方程表述為:

磁場項的作用力方向可以由左手定則判定——四指指電流方向,磁感線穿過手心時,大拇指方向為洛倫茲力方向。數學上講,單位正電荷運動所受到的洛倫茲力磁場項是電子的運動速度與磁場強度的矢量叉乘,力的方向與電荷運動速度以及磁場方向均垂直,大小為vBsinθ,θ為磁場與電荷運動速度的夾角,下圖給出了夾角分別為鋭角,直角和鈍角時的洛倫茲力方向,不難看出在三種情況下左手定則都是適用的。

By 勿用 


9
Q

在做電子衍射實驗時,為什麼要高壓加速?如果電子能靜止,波長會無限大嗎?靜止的小球的波長能用普朗克常量除零動量嗎?


by 趙新晶

A

物質波發生衍射的條件和光波衍射條件是一致的,其中一條很重要的條件是波長與狹縫寬度或障礙物的尺度相近。在做電子衍射實驗時,我們通常需要利用電子衍射來觀測特定的物質的微觀結構,我們需要使電子波長與待測物質微觀結構特徵尺寸一致,因此需要對電子進行高壓加速以得到某種特定波長的電子,同時我們還要保證電子能夠源源不斷的打到待測樣品上,因此也需要利用電場加速對電子的運動方向進行控制。

對於第二個問題,根據熱力學第三定律,絕對零度無法達到,電子是不能夠絕對靜止的。物質波理論中,德布羅意認為,任何運動着的物體都伴隨着一種波動,而且不可能將物體的運動和波的傳播分開。我們討論物質波的對象一定得是運動的物體,對於靜止的物體求解其物質波波長在數學和物理上都會遇到問題。

By 勿用


10
Q

黑洞的背後是什麼?它吸了那麼多東西,都到哪裏去了?


by Eric

A

黑洞也有不同品種,這裏我們只討論最理想最簡單的黑洞:史瓦西(Schwarzschild) 黑洞。結論是對於這個黑洞,吸入的東西去了黑洞的奇點。

説到這裏,可能剛上船的水友就會問了,什麼是奇點?

這就觸及到知識盲區了.jpg。我們人類對奇點一無所知(突然中二)。

(由於這個問題比較硬核,建議來找男女朋友的水友可以直接跳過下面的討論。)

一般有(嗶)格的科普都會給出一個叫共形圖的東西,根據這個國際慣例,我們作為一個有(嗶)格的公眾號,在這裏給出史瓦西黑洞的共形圖:

 其中A區域表示黑洞視界外我們生活的世界,B區域表示黑洞視界內部,是最上邊的藍線表示黑洞的起點。C區域表示另一個漸進平坦時空,與我們的世界沒有聯繫,D區域是白洞,最下面的藍線表示過去奇點。C和D區域就比較抽象,不過沒關係,接下里討論只涉及A和B區域。

圖中縱軸是時間,橫軸是空間,並且我們仍然遵守閔氏時空的光錐座標系,即物質只能在上光錐中傳播,比如我們發現A區域的東西是可以進入B區域也可以不進去。我們很快就能明白,A區域的東西如果進入B區域,在B區域中所有東西最終宿命就是落入奇點。

最後值得一提的是,我們這裏只是討論了史瓦西黑洞,也存在其它黑洞比如克爾(Kerr)黑洞,如果掉進這個黑洞裏面,我們可以選擇出來而不是掉進奇點。

By zym




本期答題團隊:

物理所    Patwf、勿用、望江樓、zym

中國科學技術大學     lagrangeju


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編輯:望江樓


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