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第13页

书籍名:《1分钟物理》    作者:中国科学院物理所
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    《1分钟物理》第13页,页面无弹窗的全文阅读!

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    29.什么是玻尔兹曼大脑?
    玻尔兹曼大脑是一个很有趣的问题。高度无序的系统越发稳定,越发不可能产生特殊变化,例如产生生命。因此生命几乎不可能出现在高度无序的系统中,而是诞生于宇宙较早时期,此时熵极低,可能产生生命(虽然概率极小但却可能发生),并演化成高级生命,比如我们人类。
    然而,对于人体来说,单独大脑出现的概率大于人体出现的概率。也就是说,宇宙中很可能出现一种完全由大脑构成的生命,这就是玻尔兹曼大脑。这些大脑很可能存活了下来,并在虚空中进行着超越人类极限的思考,甚至构建出我们所熟知的世界体系。细思极恐!实际上,我们自己都不能确定我们是否生活在我们大脑所构建的模型当中。
    这个问题有点像“缸中之脑”的猜想,只不过没有邪恶的科学家,而是以条件概率为基础。历史上,玻尔兹曼确实是在研究热力学时想到的这一问题,但实际上,我们可以通过概率,而不基于热力学讨论它。
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    30.汽车、高铁和飞机的表面能不能做成高尔夫球那样表面坑坑洼洼的样子,从而减小空气阻力,减少燃油或电力的消耗?
    物体在空气中运动所受到的阻力主要有两个来源:(1)摩擦阻力,又叫黏滞阻力,这是和空气摩擦产生的力;(2)压差阻力,这是运动物体前方高压区和后方低压区产生的压差带来的力。我们都知道,一块垂直在空气中运动的平板会受到较大的阻力,如果把平板前方(左侧)的高压区用半椭球状的物体填满(如图),那么气流在前方早一点贴合物体,就会使前方压强变小;如果把平板后方的湍流区用一个圆锥状的物体填满,那么后方的气流就会相对较晚地分离,使得后方压强变大,这样就能够减小压差阻力,这就是流线型减阻的原理。
    高尔夫球的阻力主要是形状所致的压差引起的,摩擦处于次要地位,凹坑可以延长后方气流的分离时间,减小压差阻力。而飞机本身接近流线型,摩擦阻力占主导,所以凹坑增加反而不利于飞行,何况还要考虑材料强度、成本、外形美观等各种因素。其实,飞机和某些车为了增加气流在物体后方分离的时间,还装配了涡流发生器,可以大幅减小阻力。
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    31.外星人的眼睛有没有可能接收红外线或者紫外线?他们会不会比地球人的视野更宽阔?
    可能啊,相当可能!其实我们不需要提外星人————难道题主忘了江湖上名震天下、红极一时的皮皮虾?我们要说的不是吃货嘴里那种土里土气的皮皮虾,而是它的亲戚,色彩艳丽的齿虾蛄科孔雀螳螂虾。这家伙至少有16种视觉感受器,其中6种可分辨普通颜色,6种可分辨紫外线,还有4种可以分辨圆偏振光!是不是很逆天?
    其实,视觉方面的能力与生物拥有的视觉感受器种类直接相关,且往往与其生活环境及生存需求密切相关。人类拥有负责感应光强的视杆细胞和负责捕捉颜色的三种视锥细胞;汪星人和喵星人更关心黑夜里捕捉猎物的能力而对颜色需求不大,故视杆细胞更发达而视锥细胞种类比人少;蜜蜂和蝴蝶天天在太阳下面拈花惹草,可以在紫外线图景下分辨各种花瓣;响尾蛇需要精确感应温度变化、判断猎物位置,红外视觉对其非常重要。
    至于皮皮虾嘛,这么逆天的能力居然用来谈恋爱!色彩艳丽的外壳只有它能欣赏,圆偏振光的交流暗号也只有它能看懂……同在一个地球,尚且如此不同、各怀绝技,那远在宇宙深处的外星人,你猜会怎样呢?
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    32.云的主要成分是水滴和冰晶,水和冰都比空气重,为什么不掉下来呢?
    物理君童年时也疑惑过,天上那么大块的棉花糖咋不掉下来呢?
    其实云是会掉下来的,只是掉下来的速度很慢很慢,这归根结底是因为空气有阻力。云中的水滴半径r很小,只有几微米到几十微米,其重量很轻,空气阻力不可忽略,且随水滴下落速度增加而增大,因此这些水滴在空中达到受力平衡时的速率,即收尾速率v很小。这还只是空气静止时的情形,实际上云层附近还会有风和上升气流,云随风而飘,有一些在这个过程中消散了,毕竟小水滴也会蒸发。更直观地说,悬浮的小水滴,在天上叫云,在地上叫雾,你看看雾滴的运动,是不是很慢?而即使是大雨滴,也砸不死人,可见空气阻力的作用还是很明显的。
    具体来讲,水滴受到的与半径和速率成正比的黏滞阻力值为6πηrv,方向向上,其中η为空气的黏滞系数;水滴还受到重力和浮力,合力大小为(ρ-ρ0)g(4π/3)r3 ,方向向下。三力平衡可得收尾速率v=[2g(ρ-ρ0)/9η]r2 ,可见该速率与r2 成正比,当r很小时,速率也很小。云中典型的水滴直径为10~50微米,相应的下落速率为3.0毫米/秒~7.5厘米/秒,这要落下来得好久好久。而一旦小水滴凝聚在一起,即可很快下落,如直径5毫米,则速度约7米/秒。不过这是用另一套公式计算的,因为此时空气阻力以压差阻力为主,与r2 v2 成正比,前述公式已不适用。
    有趣的是,利用超微液滴收尾速度很慢且与外力成正比这一规律,人们可以精确地测定微小的力。还记得大名鼎鼎的密立根油滴实验吗?在物理上具有重要意义的元电荷e的大小就这么测出来了!1923年的诺贝尔物理学奖就是这么诞生的。
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    33.如果在光速飞船上发射一束光,那么这束光难道不会比飞船更快吗?这样光速不就能超越了吗 ?
    在狭义相对论的世界里,不同的参考系中,不仅单个物体的绝对速度不同,两个物体的相对速度也是不同的。第一个问题中的情况可以用狭义相对论的基本原理来解释————光的真空速度在任何惯性参考系里都是c(常量)。如果你在飞船里,则认为光以光速c远离你;如果你在“地面”(飞船相对你的速度是光速c),则认为光的速度也是c,而飞船和光的相对速度为0。
    感兴趣的朋友可以试试做些简单计算。狭义相对论基于相对性原理和光速不变原理,可得到在不同惯性系中速度的变换公式u=[u’+v/1+(u’v/c2 )。我们可以看到公式中物理量的对应关系:v代表K’(参考系)相对K(参考系)的速度,u’代表研究对象在K’中的运动速度。知道这些,就可以求出研究对象在K中的运动速度。以问题中的情景为例,若参考系K和飞船K’相对速度为v=c,K’中发出光的速度为u’=c,代入公式计算,就可以得到在K中的速度u=c,在这里我们可以看到理论的自洽。
    而第二个问题同样可以通过计算解答。若光速飞船参考系v=c,而人相对飞船的速度u’≠c,代入后同样得到u=c。
    也就是说,不论你在飞船里以多大的速度向“前”运动,别人在K参考系里总会认为你和飞船速度相同。怎么样,很不可思议吧?
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    34.对着手哈气会感到暖,吹气会感到冷。那么是否存在一个吹气速度让人感觉不冷不热?
    这个问题的答案是肯定的:理论上可以定义一个吹气速度,我们暂且把它定义为“均衡吹气速度”。
    均衡吹气速度可能是非常难以定义的物理量。吹出的气体在运动过程中,气流的变化非常复杂,环境风速、温度、压强以及吹气口型等,都会影响到气流到达手掌时的温度。因此,把这些考虑在内,我们需要在一个稳定的环境中定义该数值。例如,保证环境为标准状态(273.15K,1atm),保持环境风速低于0.1米/秒,保证手到口的距离为定值。
    综合以上考虑,外界的问题大多数都解决了。这种条件下,我们吹出具有某个速度的气体,它在到达手掌的时候就能达到一个合适的温度,而且保持很小的误差。注意,这个温度是物理的温度,不是感受的温度。
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