【趣味物理】那些讓你腦洞大開的物理問題？

年少時(shí)，思維活躍，總會腦洞大開，常常問出一些不靠譜的問題，比如：

●如果失控的電梯在做自由落體運(yùn)動，里面的人在電梯即將落地時(shí)跳起，電梯在人落地前落地，那么此人會受傷嗎?

●為什么光可以用東西擋住，聲音卻不可以?

●據(jù)說孫悟空是以音速飛行的，因?yàn)樗慕疃吩凭褪且舯疲@是真的嗎?在水中以音速運(yùn)動又是怎樣的情況呢?

●外星人的眼睛有沒有可能接收紅外線或者紫外線?他們會不會比地球人的視野更寬闊?

●一只蒼蠅在汽車?yán)镲w，沒有附著任何東西，它為什么會相對地面跟汽車保持一樣的速度?

●光照會對物體產(chǎn)生壓力嗎?如果會，為什么光不會砸死人?

●地球的自轉(zhuǎn)速度是否在減慢?

Q：如果失控的電梯在做自由落體運(yùn)動，里面的人在電梯即將落地時(shí)跳起，電梯在人落地前落地，那么此人會受傷嗎?

別笑，很多人小時(shí)候都想過用這種方法避險(xiǎn)。答案當(dāng)然是不行了。我們詳細(xì)分析一下為什么不行。男子跳高世界紀(jì)錄是2.45米，別忘了這是背越式的，運(yùn)動員實(shí)際重心升高不到2米。這還是在有助跑的情況下。美國職業(yè)籃球聯(lián)賽球星克里斯·韋伯(ChrisWebber)原地起跳紀(jì)錄是1.33米，別忘了人家跳之前會下蹲蓄力加抬腿。

很不幸，你在自由落體的電梯里面，所以別說助跑了，下蹲都做不了。

現(xiàn)在，假設(shè)我們什么都不管了，我們瘋了，我們認(rèn)為你骨骼清奇，原地一蹦2米高。可那又怎樣?比如，電梯從10米高的地方失控，那你蹦完之后速度一抵消的效果，等于你從8米高的地方開始失控。你還是“妥妥滴”……

現(xiàn)在，我們假設(shè)你是不世出的絕頂高手，苦修40年就是為了今天，你一蹦10米高!而且電梯天花板也非常懂事地先自己消失一會兒。這回你終于能活下來了吧?

很遺憾，并不能。你還是“妥妥滴”……

要記住，真正殺死你的不是速度，而是加速度。

Q：為什么光可以用東西擋住，聲音卻不可以?

其實(shí)聲音也是可以用東西擋住的，光也可以不被東西擋住。你問題中的光指的是我們能夠看見的可見光，你問題中的聲音也只是可以聽到的聲音。

在物理上，光和聲音都是一種波動現(xiàn)象。只不過一個(gè)叫電磁波，一個(gè)叫機(jī)械波而已。而決定一個(gè)波會不會被一個(gè)東西擋住的因素很簡單：波長的尺度與物體的尺度。如果波長遠(yuǎn)小于物體的尺度，那么這樣的波就會被物體擋住。反之則不會。

人能夠聽到的聲音的波長在17毫米到17米這樣一個(gè)尺度范圍內(nèi)。日常生活中的絕大多數(shù)東西也恰好都在這個(gè)尺度范圍內(nèi)。結(jié)果就是聲波很容易繞過這些物體被我們聽到。這種現(xiàn)象就叫衍射。

另一方面，可見光波長的數(shù)量級只有幾百個(gè)納米，這個(gè)尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于日常生活中物體的尺度。所以光看上去幾乎就是直線傳播的。

問題的關(guān)鍵不是光或者聲音，而是波長。聲波波長很短時(shí)就不能繞開物體了，超聲波就是準(zhǔn)直線傳播的聲波。同樣，波長長的光波/電磁波也可以繞開物體。這就是你在家到處都能收到Wi-Fi信號的原因。(Wi-Fi信號是電磁波，2.4GHz協(xié)議，它的波長差不多就跟你的臉一樣寬。)

Q：據(jù)說孫悟空是以音速飛行的，因?yàn)樗慕疃吩凭褪且舯疲@是真的嗎?在水中以音速運(yùn)動又是怎樣的情況呢?

聲音的本質(zhì)就是介質(zhì)振動的疏密波(縱波)。一架飛機(jī)飛行的過程中碰撞空氣產(chǎn)生振動，這種振動就以聲波的形式向外擴(kuò)散。

當(dāng)達(dá)到音速的時(shí)候，飛機(jī)在碰撞自己跟前的空氣，而空氣卻來不及將這種擠壓擴(kuò)散出去，因而被緊密地壓在一起，對飛機(jī)產(chǎn)生劇烈的阻力和擾動，這一現(xiàn)象叫音障。

在這一過程中，被擠壓的空氣有很大的壓強(qiáng)，高壓下空氣中的水蒸氣被液化成小水滴，形成一片白色的“云”。這一現(xiàn)象就叫音爆云。

音爆云和音爆都只在飛機(jī)突破音速的那一刻產(chǎn)生，一般來說持續(xù)幾秒鐘—沒有飛機(jī)會一直卡著音速飛行。速度完全超過音速以后，飛機(jī)自身反倒平靜了許多。飛機(jī)仍在碰撞空氣，但它將自己發(fā)出的聲音甩在了身后，本來應(yīng)該以球面波形式傳播出去的聲波波前此時(shí)形成了一個(gè)錐形面—飛機(jī)在錐尖的位置。

飛機(jī)外面的你在“聲錐”之外什么都聽不到。當(dāng)聲錐界面經(jīng)過你的位置時(shí)，空氣壓強(qiáng)的突變會使你聽到如爆炸一般“砰”的一聲，這就是音爆現(xiàn)象。之后你在聲錐之內(nèi)了，聽到的就是正常的飛機(jī)飛行聲。

上面描述的“聲錐”有個(gè)學(xué)名叫激波。在任何介質(zhì)中，點(diǎn)波源的速度超過介質(zhì)中的波速，都會產(chǎn)生激波現(xiàn)象。水中聲速為1500米/秒左右，如果一個(gè)物體能在水中超過這個(gè)速度，想必會產(chǎn)生比空氣中更加劇烈的激波現(xiàn)象，只不過這樣的現(xiàn)象很少被觀察到。

雖然水中聲速很快，但水面波(就是一枚石子投入水中產(chǎn)生的漣漪)往往波速很慢——一般每秒只有幾米。跑得快的船在水面可以產(chǎn)生艏波，這也是一種激波現(xiàn)象。

事實(shí)上，這一現(xiàn)象甚至對光也成立。真空光速是不可超越的，但介質(zhì)中的光速卻可以。一些高能粒子可以具有比介質(zhì)中光速更高的速度，這也會發(fā)生類似的激波現(xiàn)象，學(xué)名叫切連科夫輻射。這一現(xiàn)象在高能粒子的探測中有重要應(yīng)用。

Q：外星人的眼睛有沒有可能接收紅外線或者紫外線?他們會不會比地球人的視野更寬闊?

可能啊，相當(dāng)可能!其實(shí)我們不需要提外星人—難道題主忘了江湖上名震天下、紅極一時(shí)的皮皮蝦?我們要說的不是吃貨嘴里那種土里土氣的皮皮蝦，而是它的親戚，色彩艷麗的齒蝦蛄科孔雀螳螂蝦。這家伙至少有16種視覺感受器，其中6種可分辨普通顏色，6種可分辨紫外線，還有4種可以分辨圓偏振光!是不是很逆天?

其實(shí)，視覺方面的能力與生物擁有的視覺感受器種類直接相關(guān)，且往往與其生活環(huán)境及生存需求密切相關(guān)。人類擁有負(fù)責(zé)感應(yīng)光強(qiáng)的視桿細(xì)胞和負(fù)責(zé)捕捉顏色的三種視錐細(xì)胞;汪星人和喵星人更關(guān)心黑夜里捕捉獵物的能力而對顏色需求不大，故視桿細(xì)胞更發(fā)達(dá)而視錐細(xì)胞種類比人少;蜜蜂和蝴蝶天天在太陽下面拈花惹草，可以在紫外線圖景下分辨各種花瓣;響尾蛇需要精確感應(yīng)溫度變化、判斷獵物位置，紅外視覺對其非常重要。

至于皮皮蝦嘛，這么逆天的能力居然用來談戀愛!色彩艷麗的外殼只有它能欣賞，圓偏振光的交流暗號也只有它能看懂……同在一個(gè)地球，尚且如此不同、各懷絕技，那遠(yuǎn)在宇宙深處的外星人，你猜會怎樣呢?

Q：一只蒼蠅在汽車?yán)镲w，沒有附著任何東西，它為什么會相對地面跟汽車保持一樣的速度?

它并不是沒有附著任何東西。它附著空氣。空氣附著車。

其實(shí)常見的一類問題個(gè)個(gè)都可以用上面這句話回答。比如：為什么飄在空中的熱氣球還是會跟著地球自轉(zhuǎn)?因?yàn)榭諝飧厍蜃赞D(zhuǎn)。空氣之所以跟著地球自轉(zhuǎn)，是因?yàn)槿绻贿@樣，地表就會不停地摩擦空氣，使它慢慢轉(zhuǎn)起來，直到達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

Q：光照會對物體產(chǎn)生壓力嗎?如果會，為什么光不會砸死人?

從現(xiàn)代物理的角度來看，力并不是一個(gè)非常本質(zhì)的概念，力的實(shí)質(zhì)是動量在單位時(shí)間內(nèi)的改變量，或者說是一種有動量轉(zhuǎn)移的相互作用的表現(xiàn)形式。這一點(diǎn)在經(jīng)典力學(xué)中就有一定的體現(xiàn)：力F=dP/dt。因此要判斷一個(gè)過程是否有力的“存在”，關(guān)鍵是要看這個(gè)過程是否存在動量的轉(zhuǎn)移，或者說參與相互作用的雙方是否有動量的改變。說了這么大一堆，現(xiàn)在回到光照是否會對物體產(chǎn)生壓力這個(gè)問題上來。從量子力學(xué)的角度來看，光實(shí)際上是電磁相互作用的傳播者，名曰光子，攜帶一定的動量和能量。其(真空中)動量的大小正比于其能量，比例系數(shù)c為真空中光速。當(dāng)光照射到物體上時(shí)，光會被吸收或者被反射，這兩個(gè)過程都會使光子動量改變，因此被光照射的物體會受到力的作用。有人可能會問，我天天曬太陽，為什么沒有感覺到光的壓力?這是由于日常生活中的光產(chǎn)生的壓力實(shí)在是太小了，在能把你熱成狗的烈日下，你受到的光壓強(qiáng)也僅僅是大氣壓強(qiáng)的千億分之幾(整個(gè)地球受到的太陽光光壓大約有幾萬噸)。

日常生活中的光壓小主要是因?yàn)楣夤β拭芏忍×恕＿@里再舉個(gè)大光壓的例子：在人造光源中恐怕只有大功率激光能夠產(chǎn)生較大的光壓，不要說人，大功率激光可以在一瞬間讓鋼鐵升華。但是這與恒星內(nèi)部的光壓相比簡直不值一，比如太陽核心附近的光壓大約是一億億倍大氣壓。

Q：地球的自轉(zhuǎn)速度是否在減慢?

嗯，是在減慢。日子終于可以過得慢一些了—小編瞎說的。地球的自轉(zhuǎn)周期，也就是一天的長度，每隔十萬年增加1.6秒。而地球自轉(zhuǎn)速度變緩的原因可歸為外界因素和內(nèi)部因素兩類，其中外界因素起主要作用。外界因素主要來自長期的潮汐摩擦效應(yīng)，內(nèi)部因素主要來自無規(guī)的地核運(yùn)動和季節(jié)性的大氣運(yùn)動。

所謂“潮汐摩擦”，簡單說就是，月球和太陽通過占據(jù)地球表面71%的海洋引發(fā)潮汐，把地球拖慢了。地球表面的潮汐形成兩邊較鼓的橢球，其旋轉(zhuǎn)的速度要慢于地殼的旋轉(zhuǎn)速度，因此地殼與海洋之間的劇烈摩擦導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)速度變慢。另外，潮汐的旋轉(zhuǎn)角速度快于月球的繞轉(zhuǎn)角速度，因此海洋的部分角動量又通過潮汐力產(chǎn)生的力矩傳遞給了月球。

當(dāng)然，說到地球上不規(guī)則分布的物質(zhì)，由于地球自轉(zhuǎn)角速度相對更大，它們都會通過月球潮汐力產(chǎn)生的平均力矩傳遞角動量給月球。即使地球是個(gè)完美的球體，也會因?yàn)橐Φ淖饔卯a(chǎn)生變形，從而產(chǎn)生力矩，這就是所謂的“潮汐鎖定”。

而且，由于能量守恒，在地球自轉(zhuǎn)速度減慢的同時(shí)，月球公轉(zhuǎn)周期會變長，并慢慢遠(yuǎn)離地球。最終，這個(gè)潮汐摩擦和力矩的作用使得作用雙方趨于相互鎖定，即月球公轉(zhuǎn)周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，這也意味著一天與一個(gè)月的時(shí)間相同。我們常見的月球?qū)嶋H上一直以來都是以同一個(gè)面朝向我們的。這是因?yàn)樵虑虻馁|(zhì)量要比地球質(zhì)量小得多，月球的潮汐鎖定已經(jīng)前完成。

同樣的過程也發(fā)生在太陽和地球之間。現(xiàn)在，地球上一年的時(shí)間遠(yuǎn)大于一天的時(shí)間，當(dāng)有一天地球相對于太陽的潮汐鎖定完成，那將出現(xiàn)一天與一年的時(shí)間相等的情形。那就真的是“度日如年”了。當(dāng)然，有足夠長的演化時(shí)間，地球和月球、太陽和地球才能分別達(dá)到潮汐鎖定。這也從側(cè)面反映了我們的地球作為太陽的行星，仍然處于相當(dāng)年輕的階段。

地球自轉(zhuǎn)變慢的兩個(gè)內(nèi)部原因—無規(guī)的地核運(yùn)動和季節(jié)性的大氣運(yùn)動—可以這樣理解：(1)角動量不變時(shí)角速度大小可以變化；(2)角速度的方向與角動量的方向可以是不一樣的。

比如，花樣滑冰運(yùn)動員在做原地旋轉(zhuǎn)動作時(shí)，其手臂向內(nèi)收的同時(shí)，他自轉(zhuǎn)的速度將會變快。只要角速度的方向不平行于旋轉(zhuǎn)物體的主軸，角速度方向就會一直變化。考慮一個(gè)極端情形：你向上拋一根長細(xì)棒，讓細(xì)棒沿著長軸方向高速旋轉(zhuǎn)(細(xì)棒足夠細(xì)的情形下，其貢獻(xiàn)的角動量可忽略不計(jì))，然后再使細(xì)棒沿著垂直長軸的方向旋轉(zhuǎn)上拋，此時(shí)角速度在空中必然是會發(fā)生變化的，而角動量是不變的。明白了這些，你自然能理解地球內(nèi)部運(yùn)動導(dǎo)致的自轉(zhuǎn)速度變化。

最后，小編還可以(滑稽地)出一個(gè)能造成地球自轉(zhuǎn)速度變慢的內(nèi)部因素，這也是我們地球人都能參與的活動，那就是把靠左行駛的汽車全部改為靠右行駛，這樣一來，一天的時(shí)間就增加了。當(dāng)然，這個(gè)所謂的一天時(shí)間變長是相對于汽車都停在原地不動的情形而言的，其變化也十分微弱。