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2010最新大学物理B[2]作业及答案
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3秒自动关闭窗口&img src=&/v2-ce07efa570d52c9b4b4924_b.jpg& data-rawwidth=&555& data-rawheight=&295& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&555& data-original=&/v2-ce07efa570d52c9b4b4924_r.jpg&&&p&&b&作者：Alex Santoso&/b&&/p&&p&&b&译者：Camelion&/b&&/p&&p&&b&审校：Alex Yuan&/b&&/p&&p&&b&原文连接：&a href=&/?target=http%3A////7-Neat-Facts-About-Schrdinger/& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&7 Things You Didn't Know About Schr?dinger&i class=&icon-external&&&/i&&/a&&/b&&/p&&img src=&/v2-61a858ca276cc49b189b20ab21ead0b6_b.jpg& data-rawwidth=&850& data-rawheight=&400& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&850& data-original=&/v2-61a858ca276cc49b189b20ab21ead0b6_r.jpg&&&p&图1 在真诚地追求知识的过程中，你会经常地忍受不定期地被忽视的感觉。&/p&&p&可以打赌的是，当听到“薛定谔”这个词时，你立马想到的肯定是薛定谔的猫。但你有没有真的了解这个著名悖论背后的这个男人呢？&/p&&p&小编这里给你提供的有关薛定谔的故事绝对是纯净版。保证，没有物理！&/p&&p&&strong&一&/strong&、薛定谔是怎么想出波动方程的？&/p&&p&瑞士物理学家弗里克斯·布洛赫讲述了波动力学诞生的故事：一天，诺贝尔奖获得者皮特·德拜说：“薛定谔，你现在工作的方向不对啊，没在重点上。要不你回去研究研究，回头给我们讲讲德布罗意的工作怎么样？听说现在好多人在搞这个啊。”&/p&&p&&img src=&/v2-49eaea43b_b.jpg& data-rawwidth=&569& data-rawheight=&265& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&569& data-original=&/v2-49eaea43b_r.jpg&&图2 布洛赫（左）、德拜（中）、薛定谔（右）。三位都是诺贝尔奖获得者。&/p&&p&于是薛定谔就干了。他回去查查论文，然后就做了个报告，讲了讲法国那个哥们路易斯·德布罗意的假设，即物质也有波的特性。报告完后，德拜却不认同这个报告的内容，觉得这样的想法“很傻很天真”。他指出：“要处理波的特性，你起码得有一个波动方程才行啊。”&/p&&p&薛定谔就把这话放心上了。很快他离开妻子，到瑞士阿尔卑斯山去度两个半星期的小假——只带了德布罗意的论文，维也纳的一个情人（具体是谁现在还是个谜）以及两颗珍珠。情人还好理解，带珍珠干嘛？！别急。原来他向自己的情人“请教”以期获得灵感的时候，会把两颗珍珠塞进耳朵里，让自己的世界安静下来，这样才好开始着手波动力学的工作。&/p&&br&&p&阿尔卑斯山麓的小长假结束后，回去他就做了个报告，报告上薛定谔说：“之前德拜给我提了个建议，说应当有个波动方程——好，现在我有了。”&/p&&p&&img src=&/v2-71d74ca6ce2_b.jpg& data-rawwidth=&829& data-rawheight=&480& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&829& data-original=&/v2-71d74ca6ce2_r.jpg&&图3 薛定谔及薛定谔方程&br&&/p&&p&数年后，布洛赫跑到德拜那儿，问他这段经历。德拜却说：“啊，有吗？我忘了。”不过布洛赫觉得吧，估计德拜是后悔了，当时就不该给薛定谔提建议去做这个方程，而应该自己干。不管怎么说吧，德拜转头又问布洛赫：“我这么做应该是对的吧？”&/p&&br&&p&关于薛定谔老师是如何推导出薛定谔方程的详细过程，大家可以猛戳链接&a href=&/?target=http%3A//mp./s%3F__biz%3DMzAwNTA5NTYxOA%3D%3D%26mid%3D%26idx%3D1%26sn%3D10fcecf7b3ef09ea0b86%26chksm%3D80d58a7fb7a20369d1aca8ae66f2ba89fcedec8b53d46f5c33b6d80e77e07c57f3%26scene%3D21%23wechat_redirect& class=& wrap external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&《不能说的秘密：薛定谔方程是如何推导出来的》&i class=&icon-external&&&/i&&/a&。&br&&/p&&p&二、薛定谔纸币&/p&&p&曾经有一个物理专业的博士后跟我说：“物理中没有金钱”。这也许是对的。不过金钱中却有物理！&/p&&br&&p&&img src=&/v2-c387f1c9ff0c_b.jpg& data-rawwidth=&600& data-rawheight=&295& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&600& data-original=&/v2-c387f1c9ff0c_r.jpg&&&img src=&/v2-cd0315afdb02cba_b.jpg& data-rawwidth=&600& data-rawheight=&294& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&600& data-original=&/v2-cd0315afdb02cba_r.jpg&&图4 图5 奥地利1000先令（流通时间为：1983年-1997年）。正面是薛定谔的头像，背面是维也纳大学。&br&&/p&&p&瞧，薛定谔纸币，1983年开始流通，1000先令，是奥地利货币中是第二大的面额了（最大的是5000先令），放在现在大概值五张半的毛爷爷。不过很遗憾，到1997年就不再流通，换成了奥地利著名的医学家、生理学家卡尔·兰德斯坦纳。毕竟世界这么大，牛人这么多，得风水轮流转嘛。好希望能时光逆转，去奥地利换张1000先令的薛定谔回来供着啊。&/p&&br&&p&&img src=&/v2-4f3cbdc379ea75de84e22f2_b.jpg& data-rawwidth=&909& data-rawheight=&418& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&909& data-original=&/v2-4f3cbdc379ea75de84e22f2_r.jpg&&&img src=&/v2-8f6dfa57c39201aacf26ca3_b.jpg& data-rawwidth=&919& data-rawheight=&428& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&919& data-original=&/v2-8f6dfa57c39201aacf26ca3_r.jpg&&图6 图7 奥地利现在流通的1000先令。正面和反面都是卡尔·兰德斯坦纳。兰德斯坦纳是生理学诺奖获得者，是他首先发现我们的血液分A，B，O，AB四种类型的，在他之前输血是会死人的。&br&&/p&&p&三、薛定谔不仅仅是搞物理&/p&&p&他除了去领领诺奖，参加些物理学的会议外，不忙的时候他其实非常喜欢滑雪、溜冰、游泳或者爬山的。薛定谔的大名，除了做物理的人耳闻能详外，他也是生物领域的大牛，估计没有几个学生物的人不知道他的杰作《生命是什么》，这本书给生物界带来了多大的“地震波”真的难以估量；据说搞清除DNA螺旋结构的沃森和克拉克就深受此书影响。物理和生物之外，他还会搞搞哲学、伦理学和宗教研究。&/p&&p&&img src=&/v2-1a3d7ffce90dc06c132005_b.jpg& data-rawwidth=&607& data-rawheight=&432& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&607& data-original=&/v2-1a3d7ffce90dc06c132005_r.jpg&&图8 《生命是什么》英文本和中译本。书中主要观点认为，物理学和化学原则上可以诠释生命现象。&/p&&p&四、薛定谔的双重婚姻&/p&&p&不管薛定谔的猫是死是活，那都是量子概率的问题，但关于薛定谔的婚姻却没有什么不确定的。他公开承认他有很多情妇，包括他物理同事Arthur March的老婆Hilde March。不过不用担心薛定谔的妻子Anny——Arthur也会时不时陪她去睡个觉。（感觉好混乱……）&/p&&p&&img src=&/v2-093c6404bf1faf7ed354dfb1b8aa6038_b.jpg& data-rawwidth=&150& data-rawheight=&207& class=&content_image& width=&150&&图9 女士们怎么能抗拒得了这个蝴蝶结呢&/p&&p&1934年，Hilde给薛定谔生了个女儿；1938年纳粹将要入侵奥地利之际，他携带着自己的老婆，以及别人的老婆（Hilde）一块去了爱尔兰。在爱尔兰两个女人又分别（！）同时（！）给他生了两个女儿。&/p&&p&&img src=&/v2-9a0dd439a5e441b130bf3f_b.jpg& data-rawwidth=&660& data-rawheight=&226& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&660& data-original=&/v2-9a0dd439a5e441b130bf3f_r.jpg&&图10 薛定谔的妻子及情人。左侧为Ithi Junger，中间为Hilde March，最后一个为薛定谔的妻子Anny。&br&&/p&&p&五、薛定谔“复活”——在《飞出个未来》（Futurama）剧情中&/p&&p&&img src=&/v2-4203aed93f1c38f9b8e70ce_b.jpg& data-rawwidth=&498& data-rawheight=&319& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&498& data-original=&/v2-4203aed93f1c38f9b8e70ce_r.jpg&&图11 Futurama Wiki中关于薛定谔（角色）的介绍。薛定谔被认为出生于1887年，死于1961年，但被人在公元3011年的纽约街头看到。所以有可能他并没有死，而是被冷冻起来了。&/p&&br&&p&注释：《飞出个未来》是一部美国喜剧漫画及动画片，曾荣获过艾美奖。主要讲述一个前纽约外送披萨的小店员PhilipJ. Fry，在2000年即将到来前的几秒钟被低温冷藏了起来，然后在未来的2999年新年前夕被解冻，之后在未来世界冒险生活的故事。在这个片段中，薛定谔已经1129岁。&/p&&p&在《飞出个未来》的一个片段中，薛定谔复活了。由于他违反交通规则，超出光速15英里/小时（c+15英里/小时）行驶，且携带一个装有猫、毒药和铯原子的盒子，于是遭到人民警察Fry和URL的追捕。&/p&&br&&p&&img src=&/v2-2f96f37efcc1f56eab278_b.jpg& data-rawwidth=&1421& data-rawheight=&766& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1421& data-original=&/v2-2f96f37efcc1f56eab278_r.jpg&&&img src=&/v2-f3eab0b1a9a_b.jpg& data-rawwidth=&1325& data-rawheight=&731& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1325& data-original=&/v2-f3eab0b1a9a_r.jpg&&图12 图13 剧照。&br&&/p&&p&FuturamaWiki（官方指南）中剧本是这样的：&/p&&p&&em&【环形城，&/em&&em&Fry&/em&&em&和&/em&&em&URL&/em&&em&用枪指着薛定谔】&/em&&/p&&p&&strong&Fry&/strong&&strong&：&/strong&DNA和身份芯片！&/p&&p&&em&「薛定谔举起他的手，&/em&&em&Fry&/em&&em&用一支枪刺了一下，弹出一个全息图写着：&/em&&em&NNY DMV&/em&&em&，&/em&&em&ERWIN SCHR?DINGER&/em&&em&以及薛定谔的照片」&/em&&/p&&p&&strong&URL&/strong&&strong&：&/strong&埃尔温·薛定谔，嗯？盒子里是什么，薛定谔？&/p&&p&&strong&Sch&/strong&&strong&：&/strong&呃……一只猫，一些毒药，还有一个铯原子。&/p&&p&&strong&Fry&/strong&&strong&：&/strong&猫！活的还是死的？「&em&薛定谔还没来得及回答」&/em&活的还是死的？&em&「&/em&&em&URL&/em&&em&将薛定谔推向车门，警告他。」&/em&&/p&&p&&strong&URL&/strong&&strong&：&/strong&回答，笨蛋！&/p&&p&&strong&Sch&/strong&&strong&：&/strong&它现在是两种态的叠加，直到你打开它，让这个波函数塌缩……&/p&&p&&em&「&/em&&em&Fry&/em&&em&进入车中」&/em&&/p&&p&&strong&Fry&/strong&&strong&：&/strong&闭嘴……&/p&&p&&em&「&/em&&em&Fry&/em&&em&打开盒子，一只猫跳出盒子，撞上&/em&&em&Fry&/em&&em&。&/em&&em&Fry&/em&&em&尖叫一声。&/em&&em&URL&/em&&em&钻进车里仔细看了一下盒子」&/em&&/p&&p&&strong&URL&/strong&&strong&：&/strong&这还有大量毒剂。&/p&&p&……&/p&&p&六、薛定谔对他建立的量子力学说：“我不喜欢它。”&/p&&p&这个人中鬼才的物理学家到底是怎么看待量子力学中的几率解释的呢？薛定谔自己曾说：“我不喜欢它，我真的很为我做的这些量子力学的事情感到抱歉。”之后物理学家Gregor Wentzel对他说：“薛定谔啊，幸亏其别人比你自己更相信你的那个方程……”&/p&&br&&p&&img src=&/v2-6c4dfd91cea4c3b25c51ef1d1ba714d2_b.jpg& data-rawwidth=&1024& data-rawheight=&512& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1024& data-original=&/v2-6c4dfd91cea4c3b25c51ef1d1ba714d2_r.jpg&&图14 量子力学入门，学过量子力学的同学应该能够看懂其中很多公式。&br&&/p&&p&七、薛定谔的猫只是薛定谔取笑量子力学的一种方式&/p&&br&&p&&img src=&/v2-6c3e1d3a57cf_b.jpg& data-rawwidth=&600& data-rawheight=&693& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&600& data-original=&/v2-6c3e1d3a57cf_r.jpg&&图15 注意薛定谔的猫！这是一个陷阱！&/p&&p&现在我们回到薛定谔的猫，还记得它吧。讽刺的是，薛定谔的这个著名的思想实验实际的目的只是为了取笑量子物理的奇怪特性的。&/p&&br&&p&在1935年，爱因斯坦，Boris Podolsky，和Nathan Rosen合写了一篇论文，提出了量子纠缠的奇怪本性——一个量子系统的态并不是确定的，直到它实际中被测量。&/p&&br&&p&所以，薛定谔写了：&/p&&br&&p&&img src=&/v2-ce07efa570d52c9b4b4924_b.jpg& data-rawwidth=&555& data-rawheight=&295& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&555& data-original=&/v2-ce07efa570d52c9b4b4924_r.jpg&&图16
思想实验之薛定谔的猫。&br&&/p&&br&&p&我们可以构建一个相当荒谬的案例。一只猫被关在一个铁箱子里，箱子里还有以下装置（这些装置猫是触碰不到的）：在一个盖革计数器中，放入少量放射性物质，很少量，在这节课的一个小时内可能只有一个原子衰变，但也有同样的概率，没有衰变；如果衰变发生，计数器管放电，通过一个延迟释放的锤子击碎一个小烧瓶中的氢氰酸。如果我们把这个系统放那一小时，如果这段时间没有原子衰变，我们可以说猫还活着。用函数来表示这个系统的状态的话，它将是一个活猫和死猫的混合态。&/p&&p&&img src=&/v2-b30ebe57fbf9febfdc76e09d34156ba7_b.jpg& data-rawwidth=&608& data-rawheight=&211& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&608& data-original=&/v2-b30ebe57fbf9febfdc76e09d34156ba7_r.jpg&&图17 在为打开箱子之前，系统处于活猫和死猫的叠加态。&/p&&br&&p&这是一个典型的将约束在原子区域的不确定转变为宏观不确定的案例，而宏观不确定性可以直接通过观测确定下来。这让我们不能如此天真地接受一个“模糊的理论模型”来代表现实。而这个案例与那些摇晃的或没对焦的相机以及云室、雾室的快照不同，它本身并不包含任何不清晰的或矛盾的事情。&/p&
作者：Alex Santoso译者：Camelion审校：Alex Yuan原文连接：图1 在真诚地追求知识的过程中，你会经常地忍受不定期地被忽视的感觉。可以打赌的是，当听到“薛定谔”这个词时，你立马想到的肯定是薛定谔的猫。…
&img src=&/v2-48acd8262165cdd0855f0_b.jpg& data-rawwidth=&636& data-rawheight=&353& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&636& data-original=&/v2-48acd8262165cdd0855f0_r.jpg&&&blockquote&这是我在&a href=&/&&第98期纽约文化沙龙&/a&上的演讲图文稿。引力波的发现再一次引爆了公众对相对论的好奇。如何向外行解释相对论？我不愿用花哨的视效和不知所云的比喻弥补逻辑链的缺失，那些似是而非的字眼只能让大众愈加不明觉厉，对理论物理敬而远之。理解相对论的原理不需要太多物理知识，需要的是对于司空见惯的日常现象的深刻反思。我相信每个人都具备理解相对论的思维能力，他们只需要好的引导。我在这里略去了复杂的数学和物理知识，着重介绍相对论的逻辑。&/blockquote&&br&&p&&i&上世纪初，开尔文勋爵在英国皇家研究所向世界宣告，基于牛顿经典力学体系的物理学大厦已经基本完成，唯独被“两片乌云”笼罩着。不到三十年的光景，这两片乌云分别引出量子力学和相对论，将牛顿大厦的基础彻底推翻。&/i&&/p&&p&&i&如果说狭义相对论是时代所趋，那广义相对论主要归功于爱因斯坦的个人天才。1915年，他提出著名的爱因斯坦公式：“时空告诉物质如何运动，物质告诉时空如何扭曲。”几乎是出于对美的追求，爱氏对引力理论和物理学的时空基础进行翻天覆地的改造。基于几何语言的广义相对论从此以极致的简洁和难以挑战的哲学基础宣告了其基础地位，同时也幽灵般地横亘在粒子理论的统一旅途中，折磨了爱氏后半生。&/i&&/p&&p&&i&如果说量子力学面临无法自圆其说的实验结果而让科学走上经验主义的道路；那相对论则走上了另一个极端：以对时间、空间、力等这些基础概念的深沉反思，出于逻辑自洽的探求，从第一原则出发指导了整套理论体系的建立。相对论更像是人类理性的创造，而非自然本身。&/i&&/p&&p&&i&令人震撼的是，自然真的按照他的设定发展，分毫不差。&/i&&/p&&br&&br&&h2&&b&序幕&/b&&/h2&&p&日，报道最新物理学研究进展的期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)刊登了一篇题为《观测双星黑洞合并产生的引力波》的文章，引起举世震撼。要了解这篇快报说了什么，首先让我们一起回到一百多年前，上世纪初，故事开始的地方。&/p&&br&&p&&strong&笼罩在牛顿经典物理体系上的两片乌云&/strong&&/p&&br&&p&日，在世纪之交，英国皇家学院的开尔文勋爵说了这样一段话：&/p&&blockquote&&p&“动力学理论认为热和光都是运动的方式，现在这一理论的优美和明晰，正被两朵乌云笼罩着。”&/p&&/blockquote&&br&&p&当时是什么情形？基于牛顿经典体系的物理理论已堪称完美，引力、电磁学、光学、热学，都以一种简单、直观的方式描述。物理学的大厦如此坚固，其哲学基础在牛顿的《自然哲学的数学原理》中表述得清晰明了。内部装修是如此的精致，精确解释所有实验观测。它也很优美，许多数学家和物理学家前赴后继地进行数学完善，独辟蹊径地重新表述（例如最小作用量原理），这些视角源源不断地为理论物理学家提供灵感。所以，面对新世纪，物理学家极为乐观——他们认为物理学即将终结，他们的使命已经完成。剩下的工作，无非是通过更精细的实验将物理常数往小数点后多推几位；无非是将理论应用于工程学；无非是拓展化学、生物等 “集邮活动”（卢瑟福语）。&/p&&br&&p&然而，正如开尔文勋爵所说，此时物理学大厦还被两朵乌云所笼罩着，意思是当时仍有两个实验无法解释，它们是&strong&黑体辐射实验&/strong&和&strong&迈克尔逊－莫雷实验&/strong&。当然，经典物理并不是第一次面对这样的困难。许多比它们更大的困难都得以顺利解决，让经典力学大厦愈加坚固。然而人们渐渐发现这并不是通常的挫折，这两个实验危机像两个裂口，不但没有弥合，反而被越撕越大，最终彻底替换了物理大厦的理论基础。&/p&&br&&p&这两个实验危机引发了风起云涌的物理学革命。大批年轻物理学家在这个舞台上开展了匪夷所思的工作，物理学猝不及防地迎来翻天覆地的变革。&/p&&br&&p&黑体辐射实验引出了量子力学。如果没有黑体辐射实验，人们就没有必要去质疑经典力学，没有动机发展一个新的力学。但是，迈克尔逊-莫雷实验是否“引出”了狭义相对论？值得商榷。即使没有迈克尔逊－莫雷实验的诘难，牛顿力学体系仍然存在理论内部的瑕疵，逻辑上是不自洽的。狭义相对论不是被实验所推动的，至少对于爱因斯坦如此。爱氏的相对论和大部分的物理研究不一样，不是建立在实验上，而是建立在逻辑演绎上。后人将他的理论预言和实验观测比较，发现竟然如此一致。&/p&&br&&br&&h2&&strong&重走爱因斯坦推演相对论之路&/strong&&/h2&&p&“运动的尺会变短”、“运动的钟会变慢”、“时空会被质量弯曲”——你或许在科普书上看到这样的比喻。这些笼统的概念对你理解相对论毫无益处。“时空弯曲”——作为一个有朴素时空经验人，请你告诉我：时空怎么弯曲？时间和空间不是物体，而是一切物体得以存在的容器。所以这个提法是有语病的。但是你反复地看到这句话，便以为自己理解了它。听多了这些比喻，大家会觉得爱因斯坦是个脑洞很大的人。他怎么会想到尺会变短、钟会变慢、时空弯曲？你甚至觉得物理学是天马行空、异想天开的工作。物理学工作确实是富有创造力的，但必须以对世界的直观认识和逻辑演绎为基础。&br&&/p&&br&&p&理解相对论的原理不需要太多物理知识，需要的是对于司空见惯的日常现象的深刻反思。我怎么会有时间和空间的观念？怎么会有力的概念？它们来自我的直观感受，还是后天归纳习得的，亦或是教育附加给我的？只有你对一切习以为常的观念进行反思、整理知识的逻辑线，才能真正理解相对论，领会相对论的美，理解爱氏对物理学作出的深刻变革。理解相对论非常、非常困难。&/p&&br&&p&首先反思：什么是知识？特别是：什么是物理知识？&strong&我们每个人都有一系列的个体经验。这些个体经验以事件序列的形式呈现在我们面前。&/strong&什么是事件序列呢？比如我是刚出生的小孩，没有任何课本知识。我看到太阳东升西落，即太阳在不同的时间出现在不同的地方——这就是一个事件序列。这只是我个人的经验。&strong&借助于语言，不同个体在一定程度上能比较各自的经验，并且发现有些经验是一致的。&/strong&比如说，一群小孩在一起玩，大家都能做出太阳位置变化的描述，这是一致的经验。再比如，今天你抢我东西吃，我很难受，你很开心，这就不是一致的经验了，所以就不是物理学的讨论对象。所以，&strong&物理学就是研究这样一个共同的感觉；物理学客体就是这一类感觉的一种相对恒定的复合。&/strong&什么是相对恒定？就是某种经验重复地出现：比如太阳每天都在东升西落。古人或许一生只能看到一次流星，在看到第二次之前，他不会把流星当作物理现象来研究，因为它不是一个重复现象。所以，&strong&科学是人类心智的产物&/strong&，因为它是对内心经验的反思和整理。不过，&strong&这个观念世界很难完全独立于我们经验的性质之外，正如衣服呈现的形态依赖于人的体形一样。&/strong&观念世界的形成过程必须依赖于人的经验。&strong&这个过程对时间与空间的概念尤为正确。&/strong&时间与空间是一种恒定的、对所有人一致的观念。这些话不是我说的，是爱因斯坦说的，粗体字摘自《相对论的意义》前言。这本小册子是1922年爱因斯坦在普林斯顿做的四期演讲的整理。&/p&&br&&p&现在思考什么是时间，什么是空间。想象一个原始人有一根树枝。他发现这根树枝在什么时候看都是这么长（一种恒定的经验）。于是他截了许多同样长度的树枝，并把它们一段一段连接起来，这样就可以在某个方向上测量任何事件发生的位置，一段树枝就是单位长度的尺，这样能标注事件发生的位置。人们发现只有一个方向的尺子是不够的，至少需要三个方向的尺子，也就是三维。于是，在空间上发生的任何一个事件，可以用这样的方式去描述它：先往X方向走两个单位，往Y方向走三个单位，往Z方向走四个单位，到达某个特定的位置，这个位置被标注为(2,3,4)。这种表述方式必然是唯一的、确定的、没有任何分歧的。这还不够，还需要标注事件发生的时间。人通过太阳的东升西落抽象出一个独立运作的时钟。首先在原点处放这样一个时钟，这还不够，最好在空间的每一个位置都有这样一个时钟。那么当我描述某一个事件发生的时间时，我不用每次都跑回原点看这个钟显示几点，再跑回去。我只要看事件发生地的时钟就行。于是，我们对空间和时间就有了一个完整的概念。你们可以想象这样一个世界，空间上铺满了尺子，每个地方都有完全同步协调的钟。&/p&&br&&p&物理学的基本单位是什么？不是电子、质子、质量、能量、力，而是事件(Event)，也就是空间和时间的标度：&strong&事件 = （空间、时间）&/strong&。&/p&&br&&p&当我们讨论一个物理现象时，必须把它还原到一个事件序列(Event Series)。就是明确地标识，这个物理过程是由哪些事件(Event)组成的，每个事件唯一地在空间、时间中标度出来。&/p&&br&&p&参考系，就是可以无歧义地在空间和时间上标度任何一个事件的世界。对于同一个事件，在不同参考系下会出现不同的标度。举个例子，我坐火车从上海出发去北京，途径徐州。这里就出现了两个参考系：一是地面上父母望着我远去的背影，二是在火车上的我。对同样的事件，我和父母的标度方式是不同的。比如，晚上8点，我刚上车就去餐车吃晚饭，在我——车上的参考系看，吃饭事件发生在第二车厢位置（餐车）和8点；在父母看来，因为我从上海出发，这个事件被标度为上海和晚上8点。到晚上11点，车经过徐州，我回5号车厢睡觉了。那么在我看来，睡觉事件发生在第5节车厢的位置和晚上11点；在父母看来，是徐州和晚上11点。所以，同样的事件（吃饭和睡觉）在不同参考系下的标度方式是不一样的。&/p&&br&&p&既然参考系是&strong&人为&/strong&&strong&规定&/strong&的系统，具有任意性，那么物理学就不该有优先的参考系。物理理论对所有参考系必须是&strong&等价&/strong&的。&/p&&br&&p&思考一个中学物理问题：&/p&&br&&blockquote&&p&一个运动中的物体，如果没有外力施加于它，它将如何运动？&/p&&p&
A.逐渐变慢最终停止&/p&&p&
B.保持匀速直线，永远运动下去&/p&&p&
C.要看其他条件&/p&&/blockquote&&br&&p&初中物理告诉我们：选B，即所谓的牛顿第一定律。什么是惯性系？满足牛顿第一定律的参考系叫惯性系。另一方面，牛顿第一定律在惯性系中才满足。这显然是一个循环定义。物理学充满了循环定义，这是逻辑上不可避免的。打个比方，你翻开一本词典，先想一个词，然后去查这个词解释条目中的每一个词，如此进行，最后一定会落回已经查过的词，因为词典的条目是有限的。物理理论也是这样。在这里，我们把它作为基础来接受。也就是说，如果一个物体在没有外力的情况下，它速度大小不变、方向不变、一直运动下去，那么这个参考系是“好的”，特称“惯性系”。 惯性系不是唯一的。如果两个参考系相对作匀速直线运动，例如：在火车上的我（假定火车作匀速直线运动）和地面上的父母。他们观测到的事件序列都满足牛顿第一定律，因此两者都是惯性系。&/p&&br&&p&以下是狭义相对论中最重要的、可以说是唯一的基础假设：&strong&所有物理定律在所有惯性系里完全相同&/strong&。也就是说，在火车上的我和在地上的父母不可能通过任何物理实验判断谁在动，谁不在动，谁的速度是多少。注意：上面说物理理论在所有参考系（不仅是惯性系）中都是等价的。“相同”是比“等价”更严格的要求。&/p&&br&&p&有人会问：狭义相对论还有一条基础假设：光速是恒定的。这条假设可以还原到第一条假设，因为光是电磁波，而电磁波的传播速度是由物理定律决定的。既然所有物理定律在所有惯性系中完全相同，那么光的传播速度在所有惯性系里一样，是个常数。这有点违反常识。想象我在火车上往前跑，那么在地面看来，我的速度就应该是我实际奔跑速度加上火车的速度——这就是所谓速度叠加原理。但是，如果我是一束光，那么无论从火车上看还是从地上看，我的速度应该是一样的——这当然很反常识。爱因斯坦从十六岁就开始思考这个思想实验：如果我骑在光（电磁波）上，我会看到什么呢？我会看到一个静止的光——既不向前传播，也不向后传播，只是原地振荡。但是，光必须以常数传播。这是理解狭义相对论最困难的地方。&/p&&br&&p&我们需要重新思考“时间”和“空间”。&/p&&br&&p&首先思考：所谓的“同时”，这种在我们看来是司空见惯的现象，它是绝对的吗？考虑这样一个情况：在一个运动的车上，发生了三个事件。在t=0时，车厢的正中间向车的两边发出两束光， t=1时光走到一半的路程，t=2时光同时达到车厢的两端。但是在地上看来呢？因为车在往前走，车尾是迎着光的，车头是逃离光的。所以在地面的人看来，光先到车尾，后到车头。如果认可光在车上和在地上观测到的速度相同的话，那么在车上“同时”的事件，在地上就不是同时的。&/p&&br&&img src=&/71d513cd8a100b447f6f46ffe544a661_b.jpg& data-rawwidth=&1117& data-rawheight=&393& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1117& data-original=&/71d513cd8a100b447f6f46ffe544a661_r.jpg&&&p& (图片来源：Wikipedia)&/p&&br&&p&现在聊聊时间和空间的标度。之前假定存在恒定的尺子，以及在各处协调同步的时钟。在互相运动的参考系之间，这些时钟依然可以完美同步吗？首先考虑如何用一个事件序列表述“测量时间”的概念。&/p&&br&&p&既然要保留光速恒定的假设，就用光来校准时钟。考虑一个简单的光子钟模型。地上有一个发出光子的一个仪器，事件1是我在(x,y,z,t)=(0,0,0,0)（即空间在原点，时间为0）发出一束光子。这个光子往上走，遇到一面镜子并返回，对应的事件2是(0,L,0,t)，其中L是光子钟的长度（竖直摆放），t是经历的时间。之后光子返回到原点位置，接收器在2t的时候收到一个光子，对应事件3：(0,0,0,2t)。通过三个事件构成的事件序列，我们定义一个“滴答”为事件3和事件1的时间间隔，等于2L/c，c是光速。&/p&&p&如果这个钟以速度v向前运动，在地面上的人看来，这个测量行为意味着什么？首先，在地上的人看来，这个光子不是直上直下的，而是经过了一个三角形。由于斜边大于直角边，光在1到2这段时间走过的距离比L长。如果光速不变，我需要更多的时间去完成这样半个滴答t'。直角边长度分别为L和v*t'，斜边为c*t'，根据勾股定理解得：&/p&&img src=&/ad16d378ae29fd2bab04a71_b.jpg& data-rawwidth=&132& data-rawheight=&73& class=&content_image& width=&132&&&p&t'比L/c要长。所以，同一个“滴答”事件序列，在车上看和在地上看是不一样的。因此，不存在一个纯粹的，完全一样的时钟。我们必须用某种方式来校准它，而这种校准的方式，在不同参考系将得到不同的结果。不存在一个在全宇宙都同步校准的时钟。所谓的“运动的时钟会变慢”，就是这个道理。&br&&/p&&img src=&/c3a66e8c68c94a5f8de51c2dfa65077c_b.jpg& data-rawwidth=&888& data-rawheight=&499& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&888& data-original=&/c3a66e8c68c94a5f8de51c2dfa65077c_r.jpg&&&br&&p&（在上面论证中，不加证明地指出光子钟长度L不会受参考系运动速度v影响，这是因为L所指方向和参考系运动方向垂直。证明可参考《相对论的意义》。）&/p&&br&&p&那么长度呢？同样的，使用刚才的光子钟，但这次我把钟横过来放，沿着车行进的方向发射光子，车以速度v往前走，一束光从车厢尾端出发追向前面镜子，抵达镜子并返回车尾。假设我在地上测量到的光子钟长度是L',在地上看来这个过程经历的时间，是光追镜子经历的时间，以及从镜子返回车尾经历的时间。这两个时间加起来，等于地上测量到的“滴答”（2t'）。如此计算，我们得到：&/p&&img src=&/52d63c6f_b.jpg& data-rawwidth=&183& data-rawheight=&69& class=&content_image& width=&183&&&p&L是在车上看到的尺的长度。因此，在地上的人看来，（运动方向上的）长度被压缩了，这就是所谓的“运动的尺会变短”。 因此，“长度”的概念也必须基于事件序列，而不是理所当然地假定为常数。&/p&&img src=&/5d5f36aeb_b.jpg& data-rawwidth=&888& data-rawheight=&498& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&888& data-original=&/5d5f36aeb_r.jpg&&&br&&p&究竟如何在不同参考系中标度同一个事件？牛顿认为存在一个绝对的、真实的、自身永恒流淌的时间，你不管在哪儿测量都一样。比如说，你八点吃饭，那就是八点，你在地上的人和在车上的人看来都是八点。但是爱因斯坦说，这个假设必将和光速恒定相矛盾。所以必须放弃绝对时间，而是通过一种操作定义来校准时间。&/p&&br&&p&&strong&操作定义&/strong&是物理学的核心思想，也是物理学区别于科学哲学的重要特征。操作定义是指，对一切物理学概念（时间、长度），必须还原成事件序列，再作讨论。不定义事件序列，就不要空谈是否存在绝对时空。同一个事件在不同参考系里，时间和空间的标度是不一样的，具体的变换过程要用到洛伦兹变换，数学好的同学可以自己去查甚至推导一下。注意：我们在这里谈的是对时空的一个&strong&新的定义&/strong&，基于光速不变的校准方式。只有在这样一个新的定义下，“光速不变”，也就是所谓的“惯性系等效原理”才能得到保留。&/p&&br&&p&狭义相对论先聊到这里。你或许会问：怎么没讲那个著名的质能公式E=mc^2？通过刚才的逻辑演绎，你可以理解，爱因斯坦对质量、能量、动量做了重新定义（就像对时间和空间一样）。因此，质能公式里的“质量”、“能量”和牛顿体系中的“质量”、“能量”的定义是不同的。爱氏并不是发现了质量和能量的新的关系，而是重新定义了质量和能量，两者在新的定义下满足质能公式。感兴趣的朋友可以去看推导过程，其逻辑和我们讨论时间空间的逻辑是一样的。&/p&&br&&br&&h2&&b&广义相对论&/b&&/h2&&p&时间不同于空间，它永恒流淌。&br&&/p&&br&&p&你可以轻而易举地判断两把尺子是不是等长：把它们的一端重叠在一起，看另一端的位置是否相同。但你如何判断两次相继的心跳经历的时间是否一样？不可能把第二次心跳的开始移回到第一次心跳的开始，然后一起等待下一个心跳。&br&&/p&&br&&p&你可以用钟啊！问题是，你如何证明钟走过的“每一秒”是等长的呢？我们可以通过约定一把特定的标准尺来定义“一米”；但是，我们怎么可能约定一个特定的“标准秒”来定义“一秒”？如果有的话，那么这一秒已经发生了，还是即将到来，还是恰好发生在你读这句话的一刻？&/p&&br&&p&没有一种时间的定义方式优于另一种，它们在逻辑上是等价的。&/p&&br&&p&老赵信奉太阳，他把太阳的东升西落定义为一天。爽姐只信自己，她把每一次心跳定义为一秒。&/p&&p&老赵的世界里存在这样一条规律：&/p&&blockquote&&p&“在运动时人的心跳变快”。&/p&&/blockquote&&p&爽姐的世界里存在这样一条规律：&/p&&blockquote&&p&“运动中的一天经历的时间（心跳次数）更长”。&/p&&/blockquote&&br&&p&彭加勒（法国数学家）指出，这两个规律是等价的，没有哪一个比另一个更正确。&strong&时间的测量是一种约定。&/strong&人们之所以选择一种时间测量而不是另一种，仅仅因为在这个约定下，世界的秩序更简洁，甚至更美。&/p&&br&&p&于是爱因斯坦的约定取代了牛顿的约定，因为它保留了惯性原理，也就是：&strong&所有物理定律在所有惯性系里完全相同。&/strong&&/p&&br&&p&这么看来，惯性系似乎优于其他参考系。那么非惯性系中的世界满足什么物理规律呢？既然参考系是一种人为规定的系统，那么是否存在一个物理理论，它不依赖于&strong&任何&/strong&参考系呢？&/p&&br&&p&这个问题触及到了万有引力的本质。&/p&&br&&br&&p&&strong&堪称天启的广义相对论&/strong&&/p&&br&&p&如果你还记得牛顿第二定律：&/p&&p&F = m × a&/p&&p&力 ＝ 惯性 × 加速度&/p&&p&物体质量越大，越难推动它。有趣的是，牛顿的万有引力也是和质量成正比的，其中M和m是互相吸引的物体质量，r是距离，G是万有引力常数：&/p&&img src=&/c80c4cbac891c662fd0412_b.png& data-rawwidth=&147& data-rawheight=&71& class=&content_image& width=&147&&&p&这两个公式告诉我们，地球上的物体无论轻重，自由下落的加速度是一样的，都等于9.8（米每秒平方）。&br&&/p&&br&&p&于是，爱因斯坦设想了“封闭电梯”思想实验。请感受一下：&br&&/p&&br&&ul&&li&&p&地面上的静止的电梯 v.s. 太空中加速上升的电梯&/p&&/li&&/ul&&p&假设我被关在一个封闭的电梯里。第一种情况：我在地球上静止，我能感觉到重力。另一种情况：这个电梯在太空中（所谓太空中是指没有任何星体的引力）作向上的加速运动。作为电梯中的人来说，他都感觉到一种力量在往下拉。他无法区分这两种情形。&/p&&br&&ul&&li&&p&地面上失重下落的电梯 v.s. 太空中静止的电梯&/p&&/li&&/ul&&p&第一种情况：电梯在地面上失重下落，此时电梯里的人失重，感受不到重力。第二种情况：电梯静止在太空中，没有引力。由于电梯是封闭的，电梯里的人无法区分这两种情形。&/p&&br&&p&于是，爱因斯坦提出&strong&等效原理&/strong&：引力和加速运动参考系（非惯性系）的效果是一样的。&/p&&br&&p&惯性系和非惯性系有本质区别吗？在地面上，失重加速下落的电梯显然是非惯性系；在太空中静止不动的电梯当然是惯性系，但他们是等效的。等效原理指出，我们无法通过物理实验区分引力和非惯性系。我可以把引力场看成一个非惯性系带来的运动学效果，也可以反过来。&/p&&br&&p&爱因斯坦继续思考，究竟什么是惯性系？最方便的假设，就是在自然状态下，做&strong&自由落体&/strong&(Free Fall)的参考系（比如地面上自由下落的电梯）。这时，电梯里的人真的感受不到任何引力——因为即使有引力，也被加速度的效果抵消了。也就是说，电梯里不存在引力，满足牛顿第一定律，光的速度也是常数。&/p&&br&&p&想象你往空中抛出一块石头，由于引力的效果，在地面上看，它的轨迹是一条抛物线。当我在自由下落的电梯中看这块石头，它没有受到任何力，它的轨迹是直线。于是，同一个运动（事件序列），在两个参考系中获得了不同的时空标度。遵循上一篇（狭义相对论）的逻辑，我需要找出这两个参考系之间的&strong&时空变换关系&/strong&，这个关系决定了两个参考系中的尺和钟如何校准。一旦我找到了这个变换关系，任何引力下的运动轨迹就可以通过将这个变换关系作用于自由落体参考系中的（无引力）运动轨迹来获得。引力的动力学问题成了几何问题。&/p&&br&&p&但引力是不均匀的，地球表面不同位置的引力方向是不同的（都指向地心），因此我们不可能构造一个&strong&全局&/strong&的自由落体参考系，不能一劳永逸地通过&strong&一个&/strong&坐标系变换刻画&strong&一切&/strong&受引力影响的运动。因此，在使用等效原理来描述引力下的运动时，我们依然使用自然状态下（有引力）的参考系，称之为“&strong&自然参考系&/strong&”。上述“寻找时空变换关系”的工作，只能在每一个&strong&时空邻域&/strong&里完成，即时间上和空间上都非常微小的区域——这个区域中的引力近似是常数。&/p&&br&&p&互相做匀速直线运动的参考系的时空变换关系是洛仑兹变换，那互相之间作加速运动的参考系之间如何校准？这是非常困难的几何问题。我们暂缓这个问题，思考另一个司空见惯的概念：直线。&/p&&br&&p&什么是直线？数学上的定义就是空间的x,y,z轴坐标都是时间的线性函数。现在我们从&strong&操作定义&/strong&的角度来重新定义：&strong&直线是两点之间距离最短的路径&/strong&。也就是说，从A到B，我可以走很多路径；对每一条路径，我用尺子一段一段地测量路径片段，加起来得到这条路径的距离。在所有路径中，找到最短那一条，定义为直线。这是一个操作定义，即基于事件序列的定义。路径片段的距离如何定义？在通常的情况下，是由勾股定理定义的。如果我们&strong&推广距离的定义方式&/strong&，使得在新的定义下，距离最短的路径未必是直观上的“直线”，而是，比如说，抛物线。&/p&&br&&p&回到刚才的问题。同样的运动，在自由落体参考系中是直线，在自然参考系中是抛物线，它们之间相差一个坐标变换。在自然参考系中，我们可以如此定义距离，使得同一段路径片段在两个参考系中的距离的数值是一样的。那么，在自由落体参考系中距离最短的轨迹（直线），在自然参考系中的距离当然也是最短的。引力的效果是改变了当时当地的距离定义，使得最短路径是抛物线（确切地说，是由引力影响的运动轨迹）。&/p&&br&&p&因此，我们完全可以抛弃引力，用每个时空点的距离定义来取代引力的效果。这种定义距离的方式叫做&strong&度规&/strong&（metric）。在狭义相对论中我们得知空间和时间必须融合在一起讨论，所以这里的度规和距离所涉及的都是3+1维。用度规的方式完全替代引力的效果，进而计算物体的运动轨迹，这就是我们通常说的&strong&时空告诉物体如何运动&/strong&。&/p&&br&&p&在牛顿引力理论中，引力是由质量产生的；那么在广义相对论中，度规就是由质量产生的。通过万有引力定律，我们可以刻画质量如何决定度规，这是著名的&strong&爱因斯坦方程&/strong&：&/p&&img src=&/b12e6a635ad7ffabd0bd_b.png& data-rawwidth=&96& data-rawheight=&42& class=&content_image& width=&96&&&p&这是一个二阶非线性张量方程。方程的左边是关于度规的一个函数；G是万有引力常数，c是光速，T是能量动量张量——可以理解成物质和能量的密度或强度。在时空的任何一点上，这个方程式都成立。这个方程告诉我们物质如何决定度规，也就是&strong&物质告诉时间如何弯曲&/strong&。你现在可以理解所谓的“时空弯曲”，指的就是在这个定义系里，最短的路径不是直线，而是一条弯曲的线。&/p&&br&&p&总结一下牛顿引力和广义相对论的区别：&/p&&ul&&li&&p&牛顿引力：质量产生引力，引力决定物体运动状态。&/p&&/li&&li&&p&广义相对论：质量决定时空度规，物体沿最短路径运动。&/p&&/li&&/ul&&br&&p&1919年的日全食实验是最早验证广义相对论的实验之一。（人们对于当时爱丁顿爵士的实验精度是否足以验证广义相对论仍有争议。）大家知道，日全食是指月亮把大部分太阳遮住了，所以在地球上看太阳是环状的。首先根据广义相对论，物体（太阳）改变它周围的度规，使得最短路径不是直线。于是，光的轨迹在太阳附近会发生弯曲。但是大家不要以为牛顿认为光在引力中是不弯曲的。在经典力学中，一切物体都是粒子构成的，一切运动都是粒子的运动，一切作用力都是粒子之间的作用力，所有粒子就有质量，光也不例外，因此光的轨迹也会在引力中弯曲。但是牛顿和爱因斯坦对光弯曲程度的计算结果是不一样的。日全食将告诉我们实际观测更符合哪个理论。&/p&&br&&p&通常情况下，遥远星体发出的光经过太阳时发生偏折的效果很难被观测到，因为太阳太亮了，把周围来自遥远星体的光遮盖住了。只有在日全食下，太阳大部分的光被月球遮挡住，我们才能通过照片观测远处星体的位置。这个位置是光偏折后产生的像，由此可推算光的偏折程度。当然，爱因斯坦赢了。今天，人们回顾爱丁顿的实验，质疑仅凭当时的实验精度难以确性地得出这个结论。当然，在之后的许多次日全食观测中，广义相对论的预测得到了精确验证。&br&&/p&&br&&br&&p&&strong&爱因斯坦发现，还是发明了相对论？&/strong&&/p&&br&&p&不同于大部分物理学家的工作，爱因斯坦完全在理念世界中构建相对论。爱丁顿的日全食观测验证了广义相对论后，有人很兴奋地告诉他：“爱因斯坦博士，您的理论是正确的！”爱因斯坦高冷地回答：“我早知道它是正确的。”对方问：“那如果实验的结果和您提出的理论不一样呢？”爱因斯坦答道：“那非常遗憾，我的理论依然是正确的。”&/p&&br&&p&相对论远远超越了它的时代。思考相对论时，我并不感到它试图以科学权威证明它的正确。它只是天启般呈现自己，没有丝毫逻辑上的欠缺或冗余，那种必然和美让人臣服。&/p&&br&&p&尽管爱因斯坦最初只是在弱场近似下得到爱因斯坦方程，然而人们发现，这个世界真的是按照他预料的方式运行的，丝毫不差。一百多年来，它经受住了所有实验和天文观测的考验，还发展出黑洞理论、时空奇点、大爆炸理论，可谓历久弥新。&/p&&br&&p&请再感受一下这句话：&/p&&img src=&/48acd8262165cdd0855f0_b.jpg& data-rawwidth=&636& data-rawheight=&353& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&636& data-original=&/48acd8262165cdd0855f0_r.jpg&&&p&【本文经纽约文化沙龙 (&a href=&/?target=http%3A//& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&&/span&&span class=&invisible&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&) 授权转载，首发微信公众号 nyshalong】&br&【转载必须获得主讲人和纽约文化沙龙授权，同时需注明内容来源为：纽约文化沙龙(&a href=&/?target=http%3A//& class=& external& target=&_blank& rel=&nofollow noreferrer&&&span class=&invisible&&http://&/span&&span class=&visible&&&/span&&span class=&invisible&&&/span&&i class=&icon-external&&&/i&&/a&)】&/p&
这是我在上的演讲图文稿。引力波的发现再一次引爆了公众对相对论的好奇。如何向外行解释相对论？我不愿用花哨的视效和不知所云的比喻弥补逻辑链的缺失，那些似是而非的字眼只能让大众愈加不明觉厉，对理论物理敬而远之。理解相对论的原理…
&img src=&/v2-c65b472a2f_b.png& data-rawwidth=&800& data-rawheight=&616& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&800& data-original=&/v2-c65b472a2f_r.png&&&p&&b&作者：苟利军&a href=&/people/d4f4fdcd4e& data-hash=&d4f4fdcd4e& class=&member_mention& data-hovercard=&p$b$d4f4fdcd4e& data-editable=&true& data-title=&@Flyingspace&&@Flyingspace&/a&
黄月&/b&&br&&/p&&p&&b&（日发表于科普中国）&/b&&/p&&p&2016年的2月11日，中国农历新年刚刚开始，遥远大洋的彼岸传来一个令人振奋的消息，等待了一个世纪的引力波首次被美国的激光引力波干涉仪（LIGO）直接探测到了。今天，在等待了4个月之后，人们再一次迎来了LIGO科学组织（LSC）召开的第二次新闻发布会，对LIGO的最新观测结果进行了宣布。尽管似乎缺少了一丝的兴奋感，但是发布会依旧让我们充满了期待，因为LIGO现在的每一次发现都是全新的。&br&&/p&&blockquote&&img src=&/c65b472a2f_b.png& data-rawwidth=&800& data-rawheight=&616& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&800& data-original=&/c65b472a2f_r.png&&黑洞合并模拟图&/blockquote&&p&这次所发布的内容可以简单归纳为如下三点：&br&&/p&&p&（1）此次的两个引力波信号又都是来自于双黑洞的合并：一个确认信号，另外一个疑似信号。&/p&&p&（2）此次的信号依旧是美国的aLIGO探测到的。但是VIRGO引力波探测器升级即将完成，今年秋季就开始和LIGO进行联合观测。&/p&&p&（3）引力波和多信使（多个信息渠道，比如电磁波，引力波，中微子等；multi-messenger）天文学已被开启。&/p&&p&&b&或拿诺奖？奖项已经拿到手软&/b&&br&&/p&&p&众所周知，2月份的引力波被公布之后，引力波作为一种全新的探测宇宙的方式，即将为我们掀起宇宙的新的一面。所以它因此也在全球掀起了知识传播的巨浪，不仅仅是科学界，几乎是社会的各个领域。在很短的时间，引力波成为了网红的代名词。本来默默无闻的学科，也在极短的时间之内变的异常火热。而作为建立LIGO的三位奠基人，罗奈尔特·德雷弗(Ronald W P Drever)，基普·索恩(Kip S Thorne)，雷纳·韦斯 (Rainer Weiss)，也因此而成为诺奖的最热门人选。&/p&&p&到目前为止，三位创立者已经获得了几乎物理天文界的所有大奖，总共370万美金，包括基础物理科学突破奖特别奖（the Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics；总共300万美金奖金，其中100万给三位创建人，200万给1012位LIGO科学家），格鲁伯宇宙学大奖 （50万美金），“东方诺贝尔奖”美称的邵逸夫奖（120万美金），卡弗里奖（Kavli Prizes；100万美金）。而这些奖项颁发的原因差不多都是因为“不懈追求利用引力波来观察宇宙的视角，导致了引力波的直接探测”。&/p&&p&接下来最让人们期盼的应该就是有着“炸药奖”俗称的诺贝尔奖了。尽管诺奖没有特定的评审标准，但肯定是需要对人类社会进步有着巨大的影响。正如我们已经看到，并且可以预见到的，引力波将开启一个前所未有的伟大时代，上一次的发现暂且存疑的话，再一次的发现在很大程度上消除了大家的疑虑， 也让我们更加确信和意识到只要设备足够灵敏，就可以常态化地探测到来自星辰大海的声音，看到宇宙中难以被察觉的一面。&/p&&blockquote&&img src=&/6fb6d9fddaa17e_b.png& data-rawwidth=&1166& data-rawheight=&312& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1166& data-original=&/6fb6d9fddaa17e_r.png&&（从左向右：LIGO三位创建人）&/blockquote&&p&在目前看来，几乎是没有其它的发现或者物理技术可以和引力波的深远意义相比肩，而此次新的事例的发布更是让我们相信引力波获会在今年的秋季毫无悬念地获得诺奖。相信这几位为诺奖都已准备好了。&/p&&p&诺奖，来吧！&/p&&p&&b&又是黑吃黑？&/b&&br&&/p&&blockquote&&img src=&/743cdd6e8f_b.png& data-rawwidth=&683& data-rawheight=&289& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&683& data-original=&/743cdd6e8f_r.png&&左：已知质量的黑洞和电磁研究的黑洞质量比；右：三本样本在时域中的比较（LIGO新闻发布会）&/blockquote&&p&既然这次的引力波又是“黑吃黑”的火拼，那和之前有什么不同吗？&br&&/p&&p&在比较之前，让我们先看看这次发现的一些数据细节。这次的引力波源GW151226是在日（UTC时间）被观测到的，也就是西方的圣诞节期间，所以也是被称之为圣诞老人送来的礼物。这个双黑洞系统中，黑洞的质量分别为大约为14个太阳质量和8个太阳质量。aLIGO测量到了黑洞大约30圈的绕转，最后合并成为21个太阳质量的黑洞，1个太阳质量以引力波的形式释放了出去。整个信号过程持续了大约1秒。合并以后的黑洞自旋大约是0.74（自旋是角动量的无单位物理量，在0到1之间变化，0代表没有转动，1代表了转动最快）。当然距离黑洞天体的距离也得到了测量，大约是离我们14亿光年。最后还有很重要的一点是，这次信号的信噪比依旧很高（S/N=13），对应的置信度超过了5.3σ, 超过了物理学定义“发现”的黄金标准5σ的要求。所以也算是一次真正意义上的探测。&/p&&p&相比较第一次的引力波源GW150924系统，上次的黑洞质量分别为29和36个太阳质量，合并之后的太阳质量大约为62个太阳质量，3个太阳质量被以引力能的形式释放出去。合并以后黑洞的自旋大约0.68。黑洞系统的距离大约是13亿光年。&/p&&p&除过之上的确认系统之外，还有一个疑似系统 LVT151012，因为它的置信度只有大约1.7sigma，所以很难判断是不是真正的信号。但是如果是真，那么它的黑洞质量将分别是23和13太阳质量，最后合并之后的质量是35个太阳质量，释放出1个太阳质量的引力波。合并以后黑洞的自旋大约是0.66。距离大约是32亿光年。&/p&&p&简单对比，我们可以看到两次确认系统的距离都非常的接近，但是质量确实差别很大。几乎包含了各个质量范围的黑洞。不过让我们很兴奋的是，在这次的发现中，合并之前的黑洞质量和我们在银河系中所看到的黑洞差不多。这从侧面告诉我们黑洞双星系统在我们宇宙中存在的普遍性。而这之前是从来没有被探测到的。同时也说明只要是探测器的灵敏度足够高，我们就可以探测到来自这些系统的引力波信号。&/p&&p&按照LIGO负责人在此新闻发布会中的说法，LIGO探测器目前只达到了计划灵敏度的40%，而在今年秋天的第二次科学运行之时，灵敏度将在现有基础上再提高15%到25%。所以到时LIGO将会看地更远，探测到更多的事件。另外一个好消息是到时VIRGO也会同时运行。VIRGO的性能和目前aLIGO相当，所以三个探测器联合观测，引力波源位置的精确度将会极大提高。&/p&&blockquote&&img src=&/aadeace7cf9e6f5b69b3eb6d4c5881d4_b.png& data-rawwidth=&675& data-rawheight=&252& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&675& data-original=&/aadeace7cf9e6f5b69b3eb6d4c5881d4_r.png&&LIGO位置探测精确（左）；LIGO和VIRGO的联合探测精度（右）。（LIGO新闻发布会）&/blockquote&&p&&b&神奇的自旋门槛0.7？&/b&&br&&/p&&p&当笔者注意到这三个系统的自旋值大约都在0.7的时候，产生了极端的好奇感。难道0.7是个神奇的数字，这难道是合并黑洞跨越不过去的门槛？对于笔者领导的黑洞团组而言，通过电磁方式，专门从事黑洞性质的测量，尤其是利用X射线的数据对黑洞的自旋做出测量。从目前测量得到的10多个黑洞黑洞自旋数据来看，单个黑洞的自旋值随机的分布在0（没有转动）到1（极端转动）之间。这似乎没有规律。而这些系统也和引力波所发现的双黑洞系统有差别，尽管都是双星系统，电磁方式研究的系统中，其中一个是黑洞，另外一个是正常的恒星。对这些电磁系统黑洞的进一步统计调查，发现了一个很有趣的现象。如果双星系统中恒星的质量比较大的时候（只要不比太阳质量低），黑洞的自转都很快，大约至少在0.8之上或者接近于最大值。&/p&&p&对于目前引力波探测到的双黑洞系统，那么可以想象它们的前身星质量都很大（通常要形成黑洞的话至少要25个太阳质量）。所以我们可以想象它们各自在最后形成黑洞的时候，各自的自旋也都很大（这的确有很大猜测的成分在里面，但是很遗憾的是，现有的引力波探测结果对于合并之前的自旋值很难限制）。尽管每个黑洞的自旋都有可能很大，那么怎么合并之后黑洞的自旋就会有这样的限制呢？&/p&&p&如果没有相对论数值计算结果的帮助，的确我们没有办法回答。所幸的是，相对论数值计算在过去几年的快速发展，让我们对此问题有了比较清楚的认识。在对双黑洞质量和自旋参数空间进行搜寻计算之后，发现即使黑洞的自旋达到极大值的时候，在两个黑洞合并的过程当中，最终的自旋最大值就在0.7附近。这可以说是一个后验的结果。简单的解释是，当黑洞的自旋值相对比较低的时候，黑洞会相对比较容易合并，最终产生的自旋也有可能并不是特别高。但是如果两个黑洞的自旋都是很大的时候，它们就会经历一个所谓的自旋持续（spin hangup）的过程，两个黑洞很难合并，在这持续的过程当中，大量的能量以引力波的形式辐射出去，当整体能量降到一定程度的时候，黑洞合并了，这是就是我们看到的所谓黑洞自旋门槛值，大约0.7。我们可以大胆的猜测，说不定双黑洞系统最后的自旋都差不多在这个最大值附近。&/p&&p&&b&恒星级黑洞的天文学研究现状&/b&&br&&/p&&p&黑洞通常被认为恒星生命的终点，它是我们宇宙间最为神秘的天体之一。记得在星际穿越的电影当中，黑洞的中心存在着一个可以看到过去未来的超立方体。这或许仅仅是导演诺兰的一个美好想象而已。不过在现实的世界中，物理学家霍金反复在说，黑洞的中心是通往另外一个宇宙和时空的入口。着是否是真的，我们目前还无法验证。因为黑洞内部的无法探测，所以对于黑洞的最深入研究还仅仅停留在黑洞的外部。&/p&&p&在黑洞的研究当中，我们通常用三个量来定义一个黑洞，它们分别是：质量，自旋，和电荷。时常也称之为三毛定律。也就意味着我们只要知道了这三个量，我们就可以将不同的黑洞区分开来。对于天文中的黑洞而言，电荷很容易被电中性，所以只有了质量和角动量，更为简单一些。所以黑洞时常被称之为宇宙间性质最为简单的天体。对于物理学家或者天文学家而言，最终的目的就是测量黑洞的质量和角动量。 &/p&&blockquote&&img src=&/1cfa4d367fce9c0830e75_b.png& data-rawwidth=&2348& data-rawheight=&1174& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&2348& data-original=&/1cfa4d367fce9c0830e75_r.png&&目前探测到的黑洞分布（摘自美国astronomy杂志2014年10月期）&/blockquote&&p&在引力波被探测到之前，人类一直是利用传统的电磁方式来发现和研究黑洞。从400多年前利用光学望远镜开始探索我们的宇宙开始，在上个世纪又发现了光学之外的其它电磁方式（射电，X射线等），宇宙探索的步伐在不断加快。自从第一个黑洞候选体天鹅座X-1在60年代初被发现，到目前为止，差不多已经半个世纪过去，但是我们发现并且确认的恒星级黑洞并不是特别多，总共只有二十多个，而且几乎绝大多数都是位于我们的银河系当中。根据观测和理论的联合估计，仅仅在我们这个银河系当中，恒星量级的黑洞的数目就至少有在1000万个以上，因为黑洞本身没有任何的电磁辐射（霍金辐射忽略不计），所以造成了黑洞观测的困难性。&br&&/p&&p&只有在黑洞周围吸积盘产生比较明亮的辐射，或者黑洞产生非常强的喷流辐射的时候我们才能够间接地探测到可能黑洞的存在。之后通过进一步的光学观测，和通过大量的数据分析计算，我们才有可能测量到中心天体的质量，从而最终确定中心天体是否是黑洞（如果远大于三个太阳质量，我们就可以确定的说是黑洞）。所以可以想象这其中的过程是非常的漫长和复杂。对于黑洞角动量的测量，又需要利用其他的波段（比如X波段）和独立的方式去测量。还有一个非常重要的一点是，尽管目前确认了很多黑洞，但是还有一个非常重要的一点，我们还不能百分之百的确认那就是黑洞，只有我们真正地探测到了理论当中黑洞的视界面的时候，才可以确认那就是黑洞。现有的电磁方式还有达到这个目标。不过已经在这个有人在朝着这个方向努力。麻省理工学院和一些其他大学的科学家们开启了一项叫做“视界望远镜（event horizon telescope）”的项目，利用分布在全球的亚毫米望远镜，达到基线10000公里，对黑洞的视界面直接成像，得到所谓的“黑洞影子”，从而最终确认黑洞在宇宙当中的存在。估计在2017年就可以得到第一批有关我们银河系中心超大质量黑洞视界的图像。&/p&&p&&b&引力波和多信使的研究时代来临&/b&&/p&&p&在电磁波的时代，最简单的天体的研究也是非常耗时和复杂的。然而随着引力波的探测的揭幕，黑洞的研究似乎变得异常简单。&/p&&p&首先引力波第一次直接真正地验证了黑洞的存在。因为合并之时和之后，引力波的产生是黑洞视界面变化的效果，所以这直接验证了黑洞在宇宙当中的存在。&/p&&p&引力波同时也让黑洞基本性质的研究变得更为简便和有效。尽管引力波的探测和数据处理是非常的复杂，但是一旦引力波信号被合理的提取之后，通过一次的引力波探测，我们就可以知道有关黑洞的所有信息，质量和自旋。从这个意义上来讲，引力波将极大的加速我们对于黑洞的研究和认识。&/p&&img src=&/fb9e9eac7f8bcfc2f6be1f_b.jpg& data-rawwidth=&1225& data-rawheight=&770& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&1225& data-original=&/fb9e9eac7f8bcfc2f6be1f_r.jpg&&对于黑洞系统而言，正如发言人所说，我们并不期待黑洞系统的合并能够产生相对应的电磁辐射，所以引力波有可能是探测黑洞系统的最为有效的方式。但同时我们也知道，宇宙间有着很多其它的天体也能够产生强烈的引力波，比如双中子星合并。对于这些天体，我们就可以利用多信使的方式进行研究。多信使意味着利用不同的手段，比如可以利用引力波，电磁波（各个波段，从伽马光子一直射电），中微子等方式同时对这些系统进行研究，从而得到一个整体的图像和理解。&p&从之前的介绍知道，我们目前在电磁波段仅仅确认了数目极少的黑洞，剩余的绝大多数的黑洞在哪里？我们现在还不知道。或许是孤寂的存在于星系中，或许是和恒星在一起，只是不够明亮，没有被我们发现。或许也是以双黑洞的形式从在。多信使的手段或许能够告诉我们答案。&/p&&p&多信使的研究手段或许在宇宙学方面做出一些贡献。比如引力波可以直接测得系统的距离，而电磁方式的光谱如果能够给出红移，在我们获知一些这样的系统之后，那么我们就可以对宇宙的膨胀速度（也就是著名的哈勃常数）做出校准，从而间接的对宇宙的神秘物质暗能量也提供限制。&/p&&p&&b&中国引力波研究现状&/b&&br&&/p&&p&在引力波被宣布正式探测之前，引力波研究可以说是一个不温不火的研究状态。但是随着LIGO探测的发现。中国的引力波研究也随之进入一股前所未有的热潮。在理论研究的同时，中国也在积极地推动直接探测引力波的望远镜项目。目前，两个空间项目（太极计划和天琴计划）正在努力各自推进，而地面探测原初引力波的阿里计划也在积极筹备，估计不久将会开始建设。除此之外，还有准备利用即将建好的五百米射电望远镜(FAST)和正在建设的平方公里阵（SKA），用脉冲星计时阵的方式来探测引力波。而且这些中国未来的项目中也存在着一些极具影响力的机会。&/p&&p&多信使方式是科研的未来。中国的一些设备也加入了和LIGO科学组织进行联合观测的合作当中。目前目前已经和几十和望远镜签订了合作关系，准备一旦有引力波事件，这些相对应的望远镜就可以在对应的方向上对电磁对应体进行搜寻。国家天文台作为中国最大的天文研究机构，具有快速反应和大视场的地面光学系统GWAC已经加入其中，以及2020年有可能发射的爱因斯坦探针X射线卫星也在其中。&/p&&p&尽管中国起步晚了，但是在这刚刚开始拓荒的领域，相信随着我们的努力和坚持，我们会在这个广袤的宇宙中开垦出一片天地。&/p&&br&&p&出品：科普中国&br&&/p&&p&制作：国家天文台黑洞来客团队 苟利军&a href=&/people/d4f4fdcd4e& data-hash=&d4f4fdcd4e& class=&member_mention& data-hovercard=&p$b$d4f4fdcd4e& data-editable=&true& data-title=&@Flyingspace&&@Flyingspace&/a& 黄月 &/p&&p&监制：中国科学院计算机网络信息中心&br&&/p&&br&&img src=&/5b550e02b_b.png& data-rawwidth=&226& data-rawheight=&141& class=&content_image& width=&226&&
作者：苟利军 黄月 （日发表于科普中国）2016年的2月11日，中国农历新年刚刚开始，遥远大洋的彼岸传来一个令人振奋的消息，等待了一个世纪的引力波首次被美国的激光引力波干涉仪（LIGO）直接探测到了。今天，在等待了4个月之后，人…
题主的想法很有意思，实际情况还真有点类似。&br&题主的这个问题，牵涉到许多高深的理论。我们走马观花地浏览一下吧。&br&我们都知道原子是由原子核和电子构成的，并且电子在核外按层分布。显然，原子的质量越大，对外层电子的控制能力越弱；原子的外层电子越少，丢弃电子的倾向也越强。因此，从元素周期表来看，单质元素的电负性从左往右越来越强，从下往上也越来越强。&br&&img src=&/1bea042dee48dc4a612e7fbbe605f07f_b.jpg& data-rawwidth=&799& data-rawheight=&550& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&799& data-original=&/1bea042dee48dc4a612e7fbbe605f07f_r.jpg&&绝缘材料与元素的电负性有一定的关系。&br&气体的绝缘特性牵涉到气体击穿特性、流注理论、气体击穿电压理论等等。由于气体的绝缘特性与题主的主题关系太远，故略去。&br&&b&一.液体和固体绝缘材料的绝缘特性&/b&&br&当作为绝缘材料的电介质承受的电场强度超过一定极限值时，便会部分或全部损坏，导致其绝缘性能部分或全部丧失，从而导致绝缘间隙的击穿。&br&液体和固体绝缘材料中有两种电流：泄露电流和介质电流。&br&泄露是由绝缘介质内部及表面的带电粒子（正常情况下通常是以离子为主）的移动而形成的。&br&泄露电流有两种。一种是绝缘介质内部的泄漏电流，一种是介质表面的泄漏电流。绝缘介质内部的泄漏电流对应绝缘介质的体电阻，而表面泄漏电流反映了绝缘介质表面电阻的大小。&br&
绝缘电阻具有负的温度系数。温度越高，形成泄漏电流的带电粒子就越多，其绝缘电阻就越低。&br&绝缘介质的极化&br&&b&二.绝缘介质的极化和介质损耗&/b&&br&绝缘介质可分为极性绝缘介质（如环氧树脂、酚醛树脂塑料、有机玻璃等），非极性绝缘介质如聚四氟乙烯、氮气等和弱极性绝缘介质如聚苯乙烯等。&br&当绝缘介质受到电场作用时，绝缘介质中的带电物质会产生应变，在绝缘介质的端面上产生与电极极性相反的电荷，这种现象被称为绝缘介质的极化。&br&最基本的极化形式包括电子式极化、离子式极化和偶极子极化。&br&&b&1.电子式极化&/b&&br&&img src=&/edfa3f82e11d0a3d0865a2_b.jpg& data-rawwidth=&256& data-rawheight=&269& class=&content_image& width=&256&&当构成绝缘介质的原子中的电子轨道受到外电场的作用时，它将相对原子核产生位移，由此而形成极化被称为电子式极化，如上图。电子式极化存在于一切气体、液体和固体介质中，其特点：&br&1）电子的质量极小，形成极化所需的时间极短，约10-15s。&br&2）当外电场去掉后，依靠原子内部正、负电荷间的吸引力，其作用中心又会马上重合而呈现非极性特征。&br&&b&（2）离子式极化&/b&&br&
固体无机化合物多属离子式结构。当无外电场的作用时，大量离子对的偶极矩相互抵消，故平均偶极矩为零，见下图的图A。当介质置于电场中时，正、负离子将发生偏移，其平均偶极矩不再为零，介质便呈现极性，见下图的图B。&br&&img src=&/454ee31b3a55a2df12f24f24ef9d8de1_b.jpg& data-rawwidth=&653& data-rawheight=&262& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&653& data-original=&/454ee31b3a55a2df12f24f24ef9d8de1_r.jpg&&&b&（3）偶极子极化&/b&&br&
对极性介质而言，单个分子内部正、负电荷的作用中心不重合，从而形成一个永久性偶极矩。无外电场作用时，热运动使得偶极子的极性相互抵消，介质对外并不呈现极性，见下图图A。在外电场的作用下，原来杂乱无章分布的极性分子将顺电场而定向排列，结果对外呈现极性，见下图图B。&br&&img src=&/1c72a3fc49_b.jpg& data-rawwidth=&649& data-rawheight=&257& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&649& data-original=&/1c72a3fc49_r.jpg&&发现没有？这两张图和题主的图特别象！当然，概念完全不一样了。&br&&b&绝缘介质的介质损耗&/b&&br&在实际应用中，绝缘介质为非理想绝缘体，在电场的作用下会产生泄漏电流，由此便产生了能量损耗。&br&我们来看下图：&br&&img src=&/5c41fdb423ad_b.jpg& data-rawwidth=&491& data-rawheight=&556& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&491& data-original=&/5c41fdb423ad_r.jpg&&我们看到图1的电极间有绝缘体。&br&根据前面的描述，如果电极间介质为理想绝缘介质，则在电极施加交流电压U时，回路中的电流事实上是电容电流。&br&当电极间为非理想绝缘介质时，由于介质损耗的存在，回路中电流I既包含无功分量（电容电流）Ic，也包含有功分量（泄漏电流）Ir，即：&br&&img src=&///equation?tex=I%3DI_%7Bc%7D+%2BI_%7Br%7D+& alt=&I=I_{c} +I_{r} & eeimg=&1&&&br&相量图见图2。&br&电源所提供的视在功率：&br&&img src=&///equation?tex=S%3DP%2BjQ%3DUI_%7Br%7D+%2BjUI_%7Bc%7D+& alt=&S=P+jQ=UI_{r} +jUI_{c} & eeimg=&1&&&br&由此可求得介质损耗功率：&br&&img src=&///equation?tex=P%3DQtan%5Cdelta+%3DU%5E%7B2%7D+%5Comega+Ctan%5Cdelta+& alt=&P=Qtan\delta =U^{2} \omega Ctan\delta & eeimg=&1&&&br&式中，C为绝缘结构等效电容；ω为电源角频率；δ为介质损耗角；tanδ为介质损耗因数。&br&介质损耗因数&img src=&///equation?tex=tan%5Cdelta+& alt=&tan\delta & eeimg=&1&&反映了绝缘介质能量损耗的大小。&br&&b&值得注意的是：介质损耗因数仅与绝缘材料的特性有关，与材料尺寸无关。因此在实用中，把介质损耗因数用来衡量绝缘材料的品质。&/b&&br&&b&绝缘材料的介质损耗因数越大，则绝缘体发热越严重，其老化也越快，并且容易出现绝缘材料的热击穿。&/b&&br&&b&注意哦，如果绝缘材料用于直流，则绝缘材料不存在Ic电流，只有Ir。&br&&/b&===========================&br&现在回头来看看题主的解答。&br&&b&我们发现，题主的意思是：当电量流入绝缘体后，因为电流被平分了，所以电流速度极大地降低，因此绝缘体具有绝缘性。&/b&&br&&b&显然，这个观点是不正确的。&/b&&br&最后，给大家提两个问题：&br&&b&问题1）在控制柜内安装了许多开关电器，当然也有导电排和各种绝缘材料。试问：该控制柜长期运行后，它与环境温度的温度差也即温升与何种因素有关？为什么？&/b&&br&&b&问题2）固体绝缘材料被击穿，当电压撤离后，该固体绝缘材料的绝缘特性能恢复吗？为什么？&/b&&br&评论区只有两条答复。我来做解答：&br&&b&问题1的答案：&/b&&br&开关柜内安装了许多部件和元件，其中既有导体也有绝缘体。导体和绝缘体都对发热做了贡献。&br&导体材料的发热有几个途径：&br&第一是电流在导体电阻上的发热效应.。&br&因为：&br&&img src=&///equation?tex=P%3DI%5E%7B2%7D+R%3DI%5E%7B2%7D+%5Crho+%5Cfrac%7BL%7D%7BS%7D+%3D+%5Crho+_%7B0%7D+%281%2B%5Calpha+%5Ctheta+%29I%5E%7B2%7D+%5Cfrac%7BL%7D%7BS%7D+& alt=&P=I^{2} R=I^{2} \rho \frac{L}{S} = \rho _{0} (1+\alpha \theta )I^{2} \frac{L}{S} & eeimg=&1&&&br&可见发热与导体材料的电阻率&img src=&///equation?tex=%5Crho+& alt=&\rho & eeimg=&1&&成正比，与柜内温度&img src=&///equation?tex=%5Ctheta+& alt=&\theta & eeimg=&1&&几乎也成正比，与导体材料所流过的电流I的平方成正比，还与导体的长度L成正比，与导体截面S成反比。&br&导体的发热还有邻近效应和集肤效应。&br&再来就是绝缘体的发热。绝缘体的发热依据以上解释我们已经知道是泄漏电阻的原因。&br&此外还有涡流发热。&br&有发热当然有散热，而散热是受到开关柜的防护等级IPXX、环境的湿度、温度和海拔高度决定的。&br&&b&问题2的答案：&/b&&br&&b&固体绝缘材料一旦被击穿，就永久损坏了，必须更换。&/b&&br&固体绝缘材料的击穿机理有3个理论，分别是：电击穿理论、热击穿理论和电化学击穿理论。&br&1）电击穿理论&br&由于固体介质中存在少量处于导带能量状态的电子（传导电子），当绝缘介质置于电场中时，这些电子会被加速并与固体介质晶格节点上的原子相碰撞。如果外施电压足够高，将会使得晶格原子电离，进而生成电子崩。当电子崩发展到足够强时，便会引起固体介质的击穿。&br&固体绝缘介质电击穿的特点是：击穿过程较短，击穿电压高，电场的均匀程度将直接影响击穿场强的高低，而且击穿时介质温度不高，击穿过程几乎与介质周围环境温度无关。&br&2）热击穿理论&br&在交变电压的作用下，固体绝缘介质都具有一定的介质损耗，这种能量损耗大多被转变为介质温度的升高。如果介质中的发热量大于同一时刻介质所散发出的热量，则介质温度会不断上升，其结果将引起介质的分解、碳化等现象的发生，最终导致介质的击穿。&br&3）电化学击穿理论&br& 固体绝缘介质中不可避免地存在气隙或气泡等。由于气体的击穿场强远低于固体介质的击穿场强，所以当电场强度足够高时，会首先在这些气隙或气泡中产生局部放电，从而导致绝缘介质的劣化和损伤。虽然这种局部放电并不立即形成击穿通道，但是，如果局部放电长期存在，则绝缘（特别是有机绝缘介质）的劣化及损伤会不断扩大，甚至会导致整个绝缘的击穿或产生沿面闪络。&br&&b&固体绝缘材料三种击穿理论中第一条到第三条为高、低压开关柜中绝缘材料所共有，但第三条严重影响到高压开关柜内绝缘材料的稳定性和可靠性。因此，高压开关柜内所使用的绝缘材料，特别是注塑的绝缘件，必须严格地检查它内部是否存在制造气泡。&/b&&br&==============&br&您答对了吗？
题主的想法很有意思，实际情况还真有点类似。 题主的这个问题，牵涉到许多高深的理论。我们走马观花地浏览一下吧。 我们都知道原子是由原子核和电子构成的，并且电子在核外按层分布。显然，原子的质量越大，对外层电子的控制能力越弱；原子的外层电子越少，…
&blockquote&&u&&b&1.霍金的大计划是什么？&/b&&/u&&/blockquote&&br&&p&北京时间4月13日8点零8分，著名天体物理学家史蒂芬·霍金在纽约发布了一条微博，宣布将启动一个超级科研项目：建造一个激光推进的微型星际飞行器，预计最快用20年抵达离太阳系最近的恒星系统——半人马座阿尔法星（Alpha Centauri）。而这距离霍金在中国开通微博刚刚才一天。&/p&&br&&img src=&/8ec617dd2bf122af5fd3c_b.jpg& data-rawwidth=&790& data-rawheight=&527& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&790& data-original=&/8ec617dd2bf122af5fd3c_r.jpg&&&br&&p&&b&图1 米尔纳和霍金主持新闻发布会&/b&&/p&&br&&p&说到这个半人马座阿尔法星，好多人不明觉厉，其实半人马座（Centaurus）阿尔法星包括三颗恒星，分别为半人马座α星A、半人马座α星B、半人马座α星C。其中，半人马座α星A、半人马座α星B靠得很近，是一个双星系统，中国古代称为南门二。半人马座α星C，一般称为比邻星，是距离太阳最近的一颗恒星（4.2光年），恒星分类属于红矮星。很多科幻电影或科幻小说中提到星际旅行的时候就往往以此作为一个例子。刘慈欣的科幻小说《三体》中也提到了半人马座阿尔法星。&/p&&br&&img src=&/24e5a47a5c31bed84aac3_b.png& data-rawwidth=&866& data-rawheight=&541& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&866& data-original=&/24e5a47a5c31bed84aac3_r.png&&&br&&br&&p&&b&图2 半人马座阿尔法星（Alpha
Centauri）&/b&&b&包括A、B、C三颗恒星，其中A、B星合称为南门二，C星特指比邻星&/b&&/p&&br&&br&&img src=&/c49d41d976a9f48ef0f7_b.png& data-rawwidth=&866& data-rawheight=&576& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&866& data-original=&/c49d41d976a9f48ef0f7_r.png&&&br&&br&&p&&b&图3
&/b&&b&半人马座α星A、半人马座α星B靠得很近，是一个双星系统，中国古代称为南门二&/b&&br&&/p&&br&&p&4月13日，霍金在中国发布了第二条微博，他说：“我在纽约向中国的各位问好！在纽约城的一号楼观景台，我和尤里·米尔纳启动了“突破摄星”计划，马克·扎克伯格也加入了该计划的董事会，为“突破摄星”计划助一臂之力。&/p&&br&&p&这个计划太激动人心了，听着就让人心潮澎湃。但该计划提出的时间就在霍金开通微博的第二天，这不能不让人怀疑霍金开通微博另有目的。考虑到实现“突破摄星”计划需要50亿美元以上庞大的资金，让人联想到霍金他们是来中国圈钱了。&/p&&br&&p&实际上，这是一项基础研究项目，在理论上是可行的，但在工程技术实现上，是一项大胆的冒险计划，成功的可能与失败的风险并存。&/p&&br&&br&&blockquote&&b&&u&2.大计划背后都有谁？&/u&&/b&&/blockquote&&br&“突破摄星（Breakthrough Starshot）”计划由美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心前总监沃尔登带领。背后的金主是俄罗斯互联网投资人、拥有粒子天体物理博士学位的尤里·米尔纳。除霍金外、Facebook创始人马克·扎克伯格也参与了该计划的监督委员会。目前，该计划已经获得1亿美元的经费支持。
&br&&br&&img src=&/04d49fc059_b.png& data-rawwidth=&858& data-rawheight=&612& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&858& data-original=&/04d49fc059_r.png&&&br&&br&&p&&b&图4 米尔纳和霍金共同开启寻找外星人计划&/b&&/p&&br&&p&前几年，米尔纳曾牵头成立了奖金300万美元的科学突破奖，旨在奖励生命科学、基础物理和数学领域的杰出人才，而诺贝尔奖的奖金才100多万美元。&/p&&br&&p&2015年，米尔纳更是拿出1亿美元资助地外文明搜寻计划（SETI），邀请宇宙大爆炸理论主要贡献者之一的史蒂芬·霍金、地外文明搜寻计划创始人弗兰克·德瑞克（Frank Drake）、系外行星发现者杰弗里·马西（GeoffreyMarcy）组成阵容豪华的科学家团队，目的只为寻找外星人。地外文明搜寻计划主要通过租用大型射电望远镜，监测宇宙中的无线电波，分析其中是否存在地外智慧生命发射的信号。虽然该计划已经坚持了几十年，但由于大型望远镜租金昂贵，每年只能租到二三十个小时的观测时间，一直进展缓慢。今后，在米尔纳的资助下，地外文明搜寻计划将长期租用位于西弗吉尼亚州的绿岸望远镜和澳大利亚新南威尔斯州的帕克斯望远镜，这两架世界上数一数二的射电望远镜每年都将有几个月的时间用来寻找外星人。&/p&&br&&br&&blockquote&&b&&u&3.其中的“纳米飞行器”又是什么？&/u&&/b&&/blockquote&&br&&p&“突破摄星”计划中提出的“纳米飞行器”，可以在短短几分钟内加速到光速的五分之一，即每秒钟飞行六万公里。相比之下，迄今为止人类历史上飞行速度最快的航天器——“新视野号”在飞越木星加速后的峰值速度也仅每秒钟飞行20公里（每小时7.5万公里），以这一速度飞到冥王星就用了10年时间，如果以这一速度飞到比邻星，则至少需要一万四千年以上，显然是人类很难接受的。&/p&&br&&p&因此，米尔纳和霍金希望研制速度为光速五分之一的“纳米飞行器”，在二三十年内就可以飞越4光年以上的距离，主要目的是希望快速抵达离我们最近的另一个恒星系统，去探索那颗恒星周围的行星，在带去人类信息的同时，也把那里的信息带回地球。&/p&&br&&p&“纳米飞行器”主要由两部分构成：计算机芯片大小的“星芯片”和不过几百个原子那么厚的“太阳帆”。其中，仅有数克重的星芯片上携带着摄影、导航和通讯等设备。&/p&&br&&img src=&/cbcd85aeb8e11e909d28e29_b.png& data-rawwidth=&705& data-rawheight=&566& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&705& data-original=&/cbcd85aeb8e11e909d28e29_r.png&&&br&&br&&b&图5 完全展开后的太阳帆效果图&/b&&br&&br&&p&按照计划，科学家需要先在地球上建造大规模的地基激光发射器，然后发射一个航天器，将数千个“纳米飞行器”带入太空。“纳米飞行器”进入太空后张开光帆，地面上的激光发射器聚焦激光束，发射强大能量的激光，把激光打在光帆上，提供“纳米飞行器”飞行的动力。&/p&&br&&p&这一方案从理论上是可行的，但至少在目前，还没有能力制造出飞行速度达五分之一光速的飞行器。&/p&&br&&img src=&/d1273afbf77cdaa432a53_b.png& data-rawwidth=&866& data-rawheight=&487& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&866& data-original=&/d1273afbf77cdaa432a53_r.png&&&br&&p&&b&图6 地球上需要建设巨大的激光发射器阵列，向太空发射聚焦激光束&/b&&/p&&br&&img src=&/836dea4cc424eed7cbb3_b.png& data-rawwidth=&866& data-rawheight=&801& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&866& data-original=&/836dea4cc424eed7cbb3_r.png&&&br&&br&&p&&b&图7 地球上发射功率强大的聚焦激光束，推动太阳帆加速飞行，把“纳米飞行器”加速到光速的五分之一&/b&&/p&&br&&p&所谓太阳帆，是靠太阳光的光压推动帆面，进而提供推力的结构。由于太阳光的光压很微小，星际旅行所需的太阳帆面积要非常庞大，而且要先把太阳帆折叠起来，用火箭把它带入太空，然后在太空中展开。太空中没有任何空气阻力存在，依靠这种微弱推力能为足够大面积的太阳帆提供 10e^-55～ 10e^-3g左右的加速度。为了保证航向的正确，还需要调整帆面张开的角度和方向。&/p&&br&&br&&blockquote&&b&&u&4.大计划面临的大挑战&/u&&/b&&/blockquote&&br&&p& “突破摄星”这个史无前例的大胆设想面临的挑战也是十分巨大的。&/p&&br&&p&难点之一，激光推进需要在地面建设强大激光源，不断地跟踪、照射飞行器，但激光源从遥远距离怎样才能一直瞄准这么小的“纳米飞行器”？&/p&&br&&p&难点之二，由于光的能量与距离平方成反比，随着飞行器离地球越来越远，激光所能提供的动能也会迅速衰减。&/p&&br&&p&难点之三，即便“纳米飞行器”真的飞到了比邻星，如何把信息传回来也是一个巨大的困难。现在航天器上都有一个外形像锅一样的天线，向地球方向发射无线电波，然后被地球上的大天线接收，但这种方法显然不适用于“纳米飞行器”。因此需要一种全新的通信体制，既轻便，又能避免能量的快速衰减，否则信号将无法传递到地球。&/p&&br&&p&尽管有众多明星为“突破摄星”计划站台，包括大名鼎鼎的霍金坐镇，但是，霍金和这些明星们却不会直接参与项目中的具体研究。霍金在该项目中主要是作为有公众影响力的科学家，扮演着“突破摄星”计划“科学代言人”的角色。米尔纳2015年投资1亿美元支持的地外文明搜寻计划，同样邀请霍金加入科学家团队，目的和操作手段基本相似。&/p&&br&&p&虽然在我们看来，米尔纳、霍金现在的计划更像是在烧钱，但成功的科学家和投资者有共同的特质，那就是既需要有一往无前的勇气，也需要严细慎实的精神。好奇是人类的天性，科学是被好奇心驱动的。我们有理由期待，毕竟，对未知世界的探索，总是处于人类创新的前沿。&/p&&br&&br&&blockquote&以上回答来自我应科普中国之邀写的一则小文，略有修改。有转载需要请私信。&/blockquote&
1.霍金的大计划是什么？ 北京时间4月13日8点零8分，著名天体物理学家史蒂芬·霍金在纽约发布了一条微博，宣布将启动一个超级科研项目：建造一个激光推进的微型星际飞行器，预计最快用20年抵达离太阳系最近的恒星系统——半人马座阿尔法星（Alpha Centauri）…
可控核聚变是指人们可以控制核聚变的开启和停止，以及随时可以对核聚变的反应速度进行控制。或者说，最简单地比喻就是，同样是可燃烧物质，火药可以用来做成炸弹，因为只是利用其高能量瞬间爆发的破坏性；同时也可以掺点杂质，做成蜂窝煤，使其可以当做一个煤炉子来缓慢释放能量，想让它烧就烧，想让它灭就灭，秘诀就在蜂窝煤炉子的炉门上。将这个蜂窝煤炉子的燃料换成核燃料，烧上开水，让开水变成蒸汽去推动轮机发电，就成了一个当今的核电站的基本原理雏形了。&br&&br&相比可控核裂变来讲，可控核聚变的优势在于：&ol&&li&原料易得，核聚变的原料是重水，可以直接从海水中提炼，并且地球中储量极大。&/li&&li&核聚变的过程及其产物均不会对环境造成污染，亦不会造成核泄漏的危害。&/li&&/ol&&i&那么将这个煤炉子里的燃料从核燃料换成核聚变的原料的最大的麻烦在哪里？&/i&&br&&br&就在于其反应条件。核裂变需要的反应条件很弱，天然的铀矿在常温的自然条件下就可以发生衰变。}