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為什麼閃電不走直線?| No.44

為什麼閃電不走直線?| No.44

又是周五了~

期待已久的問答

又有新動態了呢

人逢周五精神爽,哈哈

周末之前再給大腦充充電吧~

這周咱們聊聊地球、閃電

還有其他好玩的東西

還是不劇透了~

Q

地球到底是實心還是空心,科學家如何得出地球內部有核、幔、殼結構的結論。

By 轉在路上的山

A

如果看過凡爾納的《地心遊記》,就肯定會被書中主角一行人從火山洞跳入地心的經歷所吸引。在凡爾納的年代,由於難以對地球內部結構有深層的認識,地球空心論曾大行其道,當時也有很多試圖找到通往地心的洞穴的冒險家。但如果對此稍加分析,地球空心很大程度上是不合理的。如果地球是空心的,那麼是如何抵抗大質量物體相互吸引的引力而不至於坍縮的呢?花開兩朵,各表一枝,人類發現地球的分層結構是利用了地震波。1910年克羅埃西亞科學家莫羅霍維奇發現地震波的速度在地下某一深度處有突然的增高,這就是地殼與地幔的分界面。接著1914年美國科學家古登堡發現在地下更深處,還有一個速度分界面,這就是地幔與地核的分界面。但我們對地下真實情況的了解還是很膚淺的。人類目前能到達的深度有限,比如蘇聯的科拉鑽井,到了地下12千米,但連地殼還沒有鑽破。利用對岩漿等的研究,我們也能獲得一些關於地幔物質的數據。但目前我們對地球內部物質組成的認識,還有很多未被證實的猜想。

Q

引力彈弓如何實現加速,從能量守恆考慮,它的能量應該不變,當有氣體阻力還會減小,速度為什麼會增大?

By 流星雨

A

考慮能量守恆時,我們要考慮的不僅僅是我們要發射的「子彈」---假設就是飛行器吧,還要考慮與其發生相互作用的「彈弓」---假設為一顆行星,這個兩體系統遵循能量和動量守恆。簡單的推導可以得到,二者的相對運動速度不會發生變化,假設行星速度為U,飛行器速度為V,二者初始相向運動,那麼相對運動速度為U+V;待到飛行器繞過行星,二者的運動方向同向,而行星的運動速度基本不變(其實略有減小,但可以忽略不計),那麼飛行器的實際運動速度就變為2U+V,如此便實現了加速的目的(如圖所示)。當然這只是一個簡化的推導,不過我們所說的正是《火星救援》中NASA的黑人小哥所提出的救援方案~不僅僅在影視作品中,實際上引力彈弓效應的確被用來航天飛行器的加速,其中非常著名的是美國於1977年發射的「旅行者1號」探測器,它在經過木星和土星時便是通過引力效應獲得了加速,2014年9月13日它終於飛出太陽系,成為首個衝出太陽系的人類製造的飛行器!

Q

宇宙是無限的嗎?奇點大爆炸后形成宇宙,而宇宙是不斷膨脹的,是否代表宇宙是有界的?界之外又是什麼,大爆炸之前又是什麼?

By 獨行

A

我只想說,問問題的童鞋恰好把兩個關鍵詞弄反了QwQ。

現在的觀點認為,宇宙是有限而無界的。舉個很簡單例子,一個球面,它的面積是有限的,但是這個球表面卻是無界的。圓,莫比烏斯帶,都是這樣的例子。

宇宙之外是什麼?很多學者認為宇宙可能不止我們這一個,還有其他的,只是目前無法證實。那麼這些宇宙之外又是什麼呢?這個問題或許需要的是腦洞:)

大爆炸之前是什麼,這個就有很多觀點。威騰認為:宇宙是憑「空」產生的,但這個「空」不是一般意義上的空。關於這個問題,BBC有一部相關的紀錄片,有興趣的童鞋可以去看一看。

Q

您好,我想問下pn結兩端電勢電勢為什麼是平的(電勢圖)?即使pn結兩端無限長也是平的嗎?那是不是意味著pn結的形成抬高了某一端的電勢?那為什麼用電壓表測量pn結兩端電勢卻測不出來呢?謝謝您!

By 小小的學徒

A

PN結是P型半導體和N型半導體接觸面附近所形成的空間電荷區。P型半導體的多數載流子為空穴,N型半導體的多數載流子為電子,當這兩種半導體接觸時,由於兩種半導體載流子濃度差,P區的空穴會向N區擴散,N區的電子會向P區擴散。這樣,在界面附近就形成了空穴和電子的中和區,界面附近的P區就出現了負離子,N區出現正離子,形成一個N區指向P區的電場,從而阻止載流子的擴散,最後達到平衡。內電場主要出現在離子形成的區域,也就是界面附近,這便是空間電荷區。而更遠的PN的半導體區由於載流子的存在可以看成一個等勢體。PN結就是空間電荷區,題主所說的PN結兩端無限長可以理解為PN的區域大了,這對PN結的形成特性沒有影響(更大的PN區用不上)。

由於內電場的出現,PN結的形成必然使得N區的電勢變高了,但是這用電壓表是測不出來的。電壓表實質上是一個電流表,有電流就意味有功率輸出,這意味著靠電荷濃度差引起的擴散就能源源不斷的輸出能量(永動機)。其實電壓表不能測出的電勢很多,比如空間的靜電場。

Q

既然光速是有限的,那麼所謂距離多少萬光年星球,我們看到的是不是這個星球多少萬年前的樣子啊?不是觀看當下的樣子?

福慧

A

定性地來說,是的,就像你今天(217日)女朋友送的禮物,落款卻是「情人節快樂」一樣。拿你現在的時間減去信使(快遞小哥,或者光子)一路上花的時間,就是信息發出的時間。

但精確考慮的話,這個問題就不太好回答了。為什麼呢?上面之所以能夠那樣算,是因為默認我們都生活在一個經典的體系里,就是說世界各地全用同一個鐘錶,如果「上帝」老頭伸手把這個鐘停了,那麼所有地方都將處於同一時間,就如同孫悟空喊了一聲「定!」,所有的事物都變成了雕塑,不管你是在喝水打哈欠,還是在嬉戲打鬧,浮雲不再飄動,浪花不再落下,太陽不再燃燒,銀河不再旋轉,那拂面的風也成了定格。但是相對論說了,其實每個物體都有自己的鐘,是快是慢取決於這個物體的速度以及所處的空間曲率。假如那個星球正好在一個黑洞附近呢?假如那個星球正高速運動呢?即使你知道光子在路上走了一萬零一年,你也只能說A星是在地球的一萬零一年前發出的,而不能說是在A星的一萬零一年前發出的。因為發出那個光子后A星上的人民到底過了多少年,還要看他們自身所在的系統,他們時鐘的步伐和我們不一定一致。

不過在近似平滑的空間相對速度又不是很大的情況下,還是可以用經典的方法來計算的。比如昨天火星人民表示異球戀還是很痛苦的,說一句話都要等十分鐘。

Q

最近印度不是準備發射那個火箭嗎?請問它是怎麼把那麼多衛星一下子送上天的呢?我們準備怎麼做?

By 空間

A

一箭多星里,比較成熟的方式,是以主帶從——一個質量最大的主衛星,附加以若干小的子星;一般來說主星的質量超過所有子星質量之和。發射時,優先考慮主星的軌道,子星以彈射的方式送出,與主星保持一定距離。所以,子星一般無法攜帶複雜的大功率儀器,一般只具有相對簡單的功能。

一箭多星的技術,主要是兩方面因素促成的:一方面是因為經濟的原因,一方面則是因為電子設備微型化。

其實吧,因為子星作用很少,所以這種方式並沒有在原來一箭一星的基礎上提高多少,真正的難題,是要將多個等質量的衛星發射出去。

在這方面,還是有底子的。可以參考12年的新聞「北斗首發『一箭雙星』,導航加速。」

Q

太空中的反物質是否能被觀測到呢?如果可以,應該怎樣觀測?

A

我們知道,我們眼前所見的桌子、椅子、手機、電腦都是由原子組成,而原子是由質子、中子和電子構成,這些我們稱為正物質。當然這麼定義只是為了和反物質區別。而所謂反物質,即除了質量外,其它所有性質都和正物質相反的物質。例如電子質量是

9.1*10-31kg 9.1*10-31kg

,但電荷卻是+e。質子、中子或者夸克等也都一樣,我們還可以用反質子、反中子等合成反原子。

反物質和正物質(例如電子和正電子)一旦相遇就會湮滅,變成高能光子或者其它正反物質對。那這就有一個問題,茫茫宇宙中,幾乎全是正物質,反物質豈不分分鐘被湮滅了?是的。按照現有的說法,宇宙早期CP破壞,導致正物質比反物質稍微多那麼一點兒,結果就是,反物質湮滅沒了,正物質還剩了一點兒,構成了我們現在的手、腳和大地。

那麼太空中是否還有反物質呢?有的。雖然宇宙早期的反物質湮滅乾淨了,但太空中的那些高能粒子相互碰撞的過程中還是會產生反物質的,例如正電子、反質子等。太空中的物質太稀薄了,於是反物質在與正物質碰頭湮滅之前還能跑很遠距離的,或者說能「活」好長時間。有多少反物質呢?不多,反質子只是質子的的1/10000(GeV量級)。

介紹了這麼多背景知識,現在來回答問題:能不能觀測,怎麼觀測?當然能,要不我們怎麼知道它有呢。最早發現反物質(正電子)是通過威爾遜雲室觀測到的,如下圖(那條彎曲的細黑線)

方法其實很簡單,加個磁場,一個粒子過去後會雲室中的氣體會被電離,描出一條軌跡。測一下軌跡半徑,用筆算算,發現這個粒子質量、電荷和電子完全一樣,只是它往左偏了,而電子是應該往右的。於是我們發現了正電子。

現在太空中有很多探測器,例如丁肇中領導的阿爾法磁譜儀,我們的猴哥「悟空號」,以及費米實驗室等,其原理都差不多,只不過不再用雲室,改成硅板了。(下圖為阿爾法磁譜儀結構圖)

Q

為什麼閃電不走直線,而是分叉的?不是兩點之間直線電阻最小嗎?

By 阿諾

A

首先大氣中電離物質的分佈並不是均勻的,因此空間中兩點之間並不是直線通道的電阻最小。且閃電路線沿著電阻小的通道延展開來,而空間中電阻小的通道顯然不止一條,所以就會有這樣的現象,閃電走的路線是曲折並且分叉的。

綜上可知閃電分叉的關鍵原因有兩個,一是導電介質---電離物質的分佈,二是這些導電物質如何運動。

電離物質來源於太陽輻射,地面輻射以及宇宙射線與大氣分子的作用,一個能量足夠高的光子(或其他高能粒子)能將電子從一個分子或原子中「撞」出去,從而留下一個正離子並在「遠」處形成一個負離子。因此大氣中總存在個別離子-----比如失去一個電子或者額外獲得一個電子的氧分子。而這些剛剛形成的離子會通過電場吸附周圍極性分子,成為一小團塊,與其他團塊一起,在大氣電場中到處漂移。而其中「大離子團」在電場中移動較慢,而「小離子團」則最易於移動,從而導致空氣中的電導率隨離子團大小變化。這些「離子團」分佈不均勻是因為高空大氣的局域對流以及風在地面颳起的灰塵(作為「核」拾取小離子電荷形成大離子),或者人類把各種污染物(PM2.5)拋入大氣中,導致靠近地面的電導率變化得很厲害。這也是為何靠近地面時,閃電會出現更多分叉以及彎曲程度更高。

而形成閃電的機制類似於給一個電容器加足夠高壓后形成擊穿電流。而這形成擊穿電流的過程有兩個關鍵因素,一是大氣電場極化小水滴,二是重力場影響雲朵縱向的電荷分佈。

上右圖雲朵的底部將會帶負電,原因是被極化的水滴,其底部帶正電,頂部帶負電,在水滴降落過程中將每個水滴有更大幾率地帶負電,總的效果是雲底部帶負電。當雲朵底部的負電荷積累到足夠量時,雲朵底部與地面形成的電容器將被過高的電壓擊穿,從而形成閃電。對於閃電的研究仍然在繼續,因為我們不知道雲朵中的大離子團是否能源源不斷地提供負電荷,並且雲朵內部不止水滴在移動,還有各種其他帶電顆粒的移動等等。不過有一點是可以明確的,大氣電流每時每刻將正電荷帶向大地,閃電把大量負電荷帶向大地,而我們的大氣和大地就是一個時時刻刻在工作的巨大電機。

參考:

【1】雷豪雨雲中電荷分離的理論是C.T.R.Wilson威爾遜首先提出來的。在1911年,他把這個現象與自己的理論結合改進了威爾遜雲室(1896年最先由威爾遜發明)。威爾遜也因威爾遜雲室,最早的帶電粒子探測器,獲得了1927年的諾貝爾獎。

【2】費曼物理學講義.第二卷.第九章

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、理論所W.Jia

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編輯:Wqd

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