液態氧是藍色的?| No.46

為什麼行星的光環總是在行星赤道上空？

By 天杉水

A

行星環一般認為是行星的衛星進入行星的洛希極限內被行星的潮汐力撕裂而形成的，也有可是其本身就在行星的洛希極限內，因為行星的潮汐力而無法形成衛星。不論是哪種情況，都是行星的潮汐力的作用而形成的。因為潮汐力最大的方向在行星的赤道平面上，故行星在行星潮汐力的牽引下，構成行星環的物質就會繞著行星赤道所在平面運動。

為什麼水和乙醇能任意比例互溶？

By ，

A

乙醇中含有-OH基團，是極性分子；水中也有-OH,也是極性分子。根據相似相溶原理，水和乙醇的結構非常相似，而且水分子與乙醇分子之間還可以形成氫鍵，所以水和乙醇可以相互溶解，且溶解度非常的大。水和乙醇的溶液中，溶劑和溶質具有相對性，習慣上把量大的組分作為溶劑：一滴水在乙醇中就是水的乙醇溶液，而一滴乙醇在水中就是乙醇的水溶液，所以兩者間才會有任意比例互溶的現象。

液態氧和固體氧為什麼是藍色的呢？

By 我欣依舊

A

考慮氧的顏色就要考慮氧分子的吸收光譜。在氧氣的可見光吸收光譜中，對橙黃光波段有一個微弱的吸收，所以氧顯示出橙黃的互補色，藍色。這也就是為什麼液態氧和固態氧顯示藍色的原因。氣態的氧為什麼是無色的呢？因為氣態的氧分子在空間分佈的密度很低，所以儘管同樣有吸收，但是顏色太淺，肉眼根本看不出來。你可以想象實驗室里一瓶氧氣，瓶子寬度的氧氣層（自由運動，稀疏分佈的氧分子）吸收的橙黃光相對液氧（相對密集排布的氧分子）太弱了，所以肉眼察覺不出淺藍色的存在。

假設我們能看見氫分子，看到的景象會是什麼樣子，會是兩個小球在高速振動嗎？他的電子云又會什麼樣？

By 重陽

A

不用假設，你確實有可能看見氫分子的。我們首先來解釋一下什麼是「看見」。狹義地說，「看見」一個物體表示你接收到那個物體向你發過來的處於可見光波段光子。氫分子不同的分子勢能曲線之間的能級差大概是可見光到紫外波段，只要這個氫分子做了這樣的能級躍遷，發出的光子被你接收到（據生物學家說人眼的感光細胞可以對單光子做出響應的，或者說你用一個靈敏的CCD輔助的話），你就看見了氫分子。至於問題的後半段所提到的景象，假設你的「看見」是廣義的，比如說你以某種方式確定兩個氫原子的位置，並且能分清楚他們振動的位移的話，這種方式帶來的擾動必然會影響到這個氫分子的狀態。至於電子云，這是電子波函數在空間分佈的一種表示方式，只是個概率分佈，不可能被看見。

我聽說物質不止三態。那有幾態啊？

By 天馬行空

A

我們知道物質聚集狀態有固態，液態和氣態。把氣體物質施以高溫、高壓、電磁場、放電、高能磁場、熱核反應等作用，氣態原子便電離成帶電離子和自由電子。它們電荷相等，符號相反。這種狀態是等離子體，物質的第四態。

將固態物質施以高壓，非金屬會變為金屬，繼續增大壓力，物質中的電子會被擠出原子，形成電子氣體而原子核則緊密排列，這是物質的第五態——超固態；繼續增大壓力，核外電子會被擠到核內，電子與質子結合形成中子，便是物質的中子態，這可能就是物質的第六態（是不是又想到了《地球大炮》QwQ)。

2004年，台灣大學發表了一份研究成果，他們觀察到水分子等物質進入細胞膜時，會形成一種新的物質狀態，稱為「酯膜結構」。2005年，美國布魯克黑文國家實驗室用相對論重離子對撞擊製造出「夸克膠子等離子體。」以上兩個都有可能是物質的第七態。

我們一般說宇宙誕生至今137億年，根據相對論，時間和參考系有關。那麼這種說法是以哪個參考系說的呢？不可能是地球吧！

By RailGun10032

A

天文學家在處理有關宇宙中的距離、時間等問題時，通常使用的是所謂的共動坐標系(comoving frame)。根據哈勃定律，我們知道整個宇宙是在膨脹著的，並且我們把由於宇宙的膨脹效應而帶來的天體運動稱為哈勃流。想象有一個觀測者，他和哈勃流保持相對靜止，那麼宇宙的一些宏觀性質，比如微波背景輻射，對於他來說就是各向同性的。從這個觀測者的角度出發，我們就可以著手建立一個坐標系。接著，我們把宇宙的膨脹想象成吹氣球，開始時，我們在氣球上畫好坐標線，隨著我們吹氣球，氣球上某兩點之間的距離越來越大——但注意，這兩點的共動坐標(comoving coordinate)是不變的！我們可以認為，是氣球表面單位距離的長度發生了變化。在宇宙學里，我們使用尺度因子(scale factor)這一概念來表徵距離膨脹的尺度。以共動坐標系出發，我們就可以得到關於宇宙的一系列性質。

一般來說，大海是藍色的，但有些湖水是綠色的......網上各種說法不一，那麼究竟為什麼會有藍綠的差別呢？

By 沉默的雞

A

海水呈現出的顏色和許多因素有關：光照情況、水的深淺、海水中包含的物質等等。在正常陽光照射下，純凈的海水的顏色是藍色，這是瑞利散射引起的結果。所謂瑞利散射，即是當粒子大小遠小於入射光波長時，散射光強度隨入射光波長增大而減小的效應。在純凈的海水中，懸浮顆粒較少，主要是水分子散射太陽光。而水分子的大小遠小於可見光的波長，因此波長較短的藍光和紫光的散射強度最大。而由於人眼對藍光更敏感（紫光比藍光更接近紫外區域），故我們看到的大海的顏色是藍色。當水質並不是純凈的，含有較多雜質（微生物，較大懸浮顆粒等）時，水對陽光的散射情況就會不同，呈現的顏色也會不同。當水中懸浮顆粒較多時，由於它們的大小相對較大，對波長更長的光線波段（如綠光、黃光）的散射也會較為強烈，此時水體可能就會呈現藍綠色或綠色。對於深度較淺的水體，水中含有的綠色的植物、微生物也可能是導致水呈綠色的原因。

什麼是量子比特？什麼是量子干涉？為什麼會有量子干涉？

By brain

A

我們首先考慮一個經典硬幣，將正面的面積定義為1，反面的面積定義為-1，硬幣正面法線方向和觀測方向的夾角定義為θ。不難發現，這個硬幣面積沿任意方向觀測到的面積投影為cosθ。但是量子世界的硬幣並不是這樣的，而是在任何方向觀測時，得到的面積投影有時是1，有時是-1，只存在這兩個值，而不是介於-1和1之間的某個值。然而當對多個同樣的硬幣進行觀測時，將發現平均值趨於cosθ。這樣的一個「量子硬幣」就是量子比特。有人問，這怎麼可能呢？可是這才是量子世界啊。

而量子干涉也並非量子世界特有的現象，干涉是所有波都具有的性質。只不過量子干涉的波不是可以直接看到和觸摸到的，而是概率波，數學上用波函數表示，其模的平方表示找到粒子的概率。當我們計算兩列概率波疊加找到粒子的概率時，要先將波函數加起來再平方，而不是直接計算概率（平方）的和。這樣得到的多餘的項是干涉效應的直接數學解釋。

我們沒有回答為什麼量子比特是這樣的，也沒有回答量子干涉的根本原因。但是科學家清楚如何精確地運用數學描述這一切反常於直觀感覺的現象。不過應當說，隨機、糾纏、非定域等等這些奇奇怪怪的特性正是量子世界的本質特點，與我們描述它的工具無關。

本期答題團隊：

清華 物理系41的同學、北理工 文卿、大化所 J.Baker

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