激光是受激輻射光放大的簡(jiǎn)稱(chēng)那么除了可見(jiàn)光其他波段的電磁波是不是也能產(chǎn)生激光呢？

Q1、分貝的大小是怎么定義的？

by AAA

答:

分貝的應(yīng)用領(lǐng)域很多，在不同領(lǐng)域里的定義也不完全一樣。當(dāng)然，不同定義背后的邏輯是類(lèi)似的，都是把一個(gè)物理量與基準(zhǔn)值的比值取對(duì)數(shù)。

＝

＝

＝

＝

，對(duì)應(yīng)的聲強(qiáng)級(jí)就是 120 分貝。研究發(fā)現(xiàn)人耳對(duì)聲強(qiáng)的敏感度大約成對(duì)數(shù)關(guān)系 —— 聲強(qiáng)每高十倍，人耳感受到的聲音大一倍，因此聲強(qiáng)級(jí)使用對(duì)數(shù)。而前面的系數(shù) 10，則是為了使用方便 —— 聲強(qiáng)每高十倍，分貝數(shù)加十。

除了聲強(qiáng)級(jí)，我們還可以用聲壓級(jí)來(lái)定義聲音響度，聲壓級(jí)的單位也是分貝。它是以聲壓做物理量來(lái)求比值的，前面的系數(shù)也相應(yīng)變成了 20。這是分貝的另一種定義，這兩種定義并行，但似乎前一種更常用。

by 藏癡

Q2、為什么滾燙的鐵鍋遇冷水不炸裂？

by 千厘

答:

鋼鐵器件的開(kāi)裂是由冷卻過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力引起的，這里的內(nèi)應(yīng)力可分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。熱應(yīng)力是鋼鐵器件在冷卻過(guò)程中，內(nèi)外層冷卻速度的不同造成溫度不同，以至于熱脹冷縮的程度不同引起的。組織應(yīng)力是器件在冷卻過(guò)程中，由于內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變時(shí)間不同而引起的。兩種應(yīng)力相互疊加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到某一臨界值，就會(huì)產(chǎn)生形變，出現(xiàn)裂紋。

在這里以低碳鐵材質(zhì)鐵鍋為例，在生活場(chǎng)景中，普通家用燃?xì)庠顭F鍋中溫度在 200-300℃之間，根據(jù)鐵-碳合金相圖可知，鋼在這個(gè)溫度區(qū)間不發(fā)生組織改變，所以產(chǎn)生組織應(yīng)力可以忽略。再者低碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較大，與冷卻介質(zhì)水進(jìn)行熱交換的速度快，從而內(nèi)外層溫差小，熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力達(dá)不到足以發(fā)生裂開(kāi)的臨界值，故滾燙的鐵鍋遇冷水不炸裂。

by 深淺

Q3、事情是這樣的，我用手機(jī)錄像，想錄下靜電起電機(jī)教具的靜電放電過(guò)程，然后我發(fā)現(xiàn)，每次肉眼可見(jiàn)的電弧，在手機(jī)里并不是每次都能看見(jiàn)，但每一次電弧擊穿空氣的“噼啪”聲，每一次都錄進(jìn)去了。請(qǐng)問(wèn)為什么有些電弧沒(méi)能被手機(jī)拍進(jìn)去呢？

by 深藏不露

答:

你好，這種情況大概是手機(jī)拍攝幀率不足造成的，可以通過(guò)調(diào)高攝像幀率的方式來(lái)解決。

我們知道，手機(jī)攝像是通過(guò) CMOS 或 CCD 等傳感器來(lái)采集光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來(lái)成像的。一般來(lái)說(shuō)單位時(shí)間內(nèi)采集到的圖像張數(shù)越多，放映出來(lái)的錄像就越流暢，每秒拍攝的照片數(shù)被稱(chēng)為幀率。目前大部分電影都是采用 24 幀率的設(shè)備進(jìn)行拍攝和放映的，而手機(jī)設(shè)備在錄像時(shí)的幀率一般在 30 左右，即每秒拍攝 30 張照片，每張照片的拍攝間隔約為 0.03s。當(dāng)電弧的持續(xù)時(shí)間小于 0.03s 時(shí)，便可能在兩幀照片的中間被略過(guò)，從而無(wú)法被拍攝下來(lái)。

而手機(jī)麥克風(fēng)的錄音的采樣頻率相比攝像的采樣頻率便要高了許多，一般在 20000Hz 到 50000Hz 之間，兩次采樣的間隔大約為 0.00002s 到 0.00005s。因此，電弧聲基本是可以被錄音采樣到的。要想采集到電弧的圖像，建議把手機(jī)攝像的幀率調(diào)高一點(diǎn)，或者使用更加專(zhuān)業(yè)的高幀率攝影設(shè)備。

by 單身男青年

Q4、為什么說(shuō)白矮星是恒星的尸體？

by 匿名

答:

白矮星、中子星確實(shí)可以看作是較大質(zhì)量恒星的尸體，是恒星演化的最終階段。

這事啊，得從恒星開(kāi)始講。眾所周知啊，引力是宇宙中獨(dú)一無(wú)二的主角，各種天體都自愿走上對(duì)抗引力的道路，恒星就是這么來(lái)的。大質(zhì)量天體在引力作用下收縮，這個(gè)過(guò)程中引力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為熱能，天體中心溫度升高，點(diǎn)燃?xì)浜司圩?，釋放能量，與引力的收縮達(dá)成平衡，這就是恒星。但是，氫，是有限的，就像太陽(yáng)，還有區(qū)區(qū) 50 億年，這個(gè)敗家子就要把氫燒完了。那時(shí)候，如果恒星中心處的溫度不足以點(diǎn)燃氦的聚變，那引力將再一次取得上風(fēng)，迫使恒星繼續(xù)收縮，直至點(diǎn)燃氦核，這之后，氦聚變釋放出的能量將加劇外圍氫的燃燒，又使得恒星進(jìn)一步膨脹并冷卻，成為紅巨星。

氦也用完后，天體就會(huì)剩下一個(gè)碳或氧組成的核心，如果恒星先天不足，質(zhì)量太小，剩下的這個(gè)核心的引力勢(shì)能不足以點(diǎn)燃碳或氧的聚變，那他的生命就走到了盡頭，成為一顆白矮星。這時(shí)的天體會(huì)在引力的作用下繼續(xù)收縮，密度不斷變大，直至另一種力量成長(zhǎng)到足以對(duì)抗引力，這股力量就是電子簡(jiǎn)并壓，它來(lái)自于天體核心處的電離態(tài)的電子。簡(jiǎn)并壓只有在高密度下才足夠強(qiáng)大，因此白矮星密度很高。碳-氧中心球質(zhì)量小于 1.4 倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體，死亡后就會(huì)成為白矮星，太陽(yáng)顯然也在其列。

by 霜白

Q5、中子星是什么？

by 匿名

答:

接上題，但如果恒星質(zhì)量更大一些，最終的歸宿也有可能是中子星。

更大的質(zhì)量意味著其可以進(jìn)一步點(diǎn)燃碳的聚變反應(yīng)，最終遺留下來(lái)的中心球，主要是鐵，這是最穩(wěn)定的原子核了，便不可能再聚變了，這時(shí)，還是在引力作用下，中心迅速收縮，產(chǎn)生的高溫高壓會(huì)使光子具有非常高的能量，這些光子足以將原子核毀滅，電子與質(zhì)子結(jié)合生成中子并釋放中微子，最終，整個(gè)中心形成由中子組成的核心，靠更強(qiáng)大的中子簡(jiǎn)并壓遏制住引力坍縮，這就是中子星。其密度比白矮星還高，質(zhì)量上限不太確定，只能說(shuō)是約為 2 倍太陽(yáng)質(zhì)量，或者說(shuō)是 1.5-3 倍太陽(yáng)質(zhì)量。中子星的體積一般不大，典型的中子星半徑在 10km 數(shù)量級(jí)，還沒(méi)有海淀區(qū)大，但質(zhì)量就不可同日而語(yǔ)了，中子星還擁有超高的磁場(chǎng)、超高速的旋轉(zhuǎn)等奇特性質(zhì)，一直是天文學(xué)的研究重點(diǎn)。

質(zhì)量再大的天體，最終會(huì)形成黑洞，且看下題分解，前方，高能預(yù)警。

ps:這其實(shí)是一位讀者的一個(gè)問(wèn)題，但答起來(lái)篇幅實(shí)在過(guò)長(zhǎng)，故拆成 4 道題，也順便加點(diǎn)工作量，四道題的參考文獻(xiàn)都是下面這個(gè)，就不重復(fù)寫(xiě)了。

ps:把那幾個(gè)說(shuō)我們不講物理的抓回來(lái)！這回這個(gè)算物理吧。

參考資料:

• 梁燦彬.從零學(xué)相對(duì)論 (M). 高等教育出版社，2013.

by 霜白

Q6、黑洞是天體嗎？

by 匿名

答:

如果恒星質(zhì)量更大，在坍縮過(guò)程中沒(méi)能拋棄足夠的質(zhì)量形成穩(wěn)定的白矮星或中子星，那最后將形成黑洞。

黑洞是廣義相對(duì)論預(yù)言的一種非常奇特的天體，擁有極高的密度，引力強(qiáng)到連光也無(wú)法逃脫，因此看起來(lái)漆黑，仿佛宇宙在那里破了個(gè)洞，所以黑洞這個(gè)名字也很貼切了。當(dāng)然，我們目前已經(jīng)擁有了一些觀測(cè)證據(jù)，黑洞是存在的已經(jīng)被絕大多數(shù)人接受。

在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論之后，史瓦西首先求得了一個(gè)靜態(tài)的球?qū)ΨQ(chēng)解，即真空的史瓦西線元，這個(gè)解分別在 r=0 與 r=2M 處具有奇異性，后來(lái)我們證明，前者是真奇異性，后者是坐標(biāo)奇異性，于是我們進(jìn)行延拓。下圖就是史瓦西時(shí)空的克魯斯科爾最大延拓。

這張圖很重要，下題還會(huì)用到，其中蘊(yùn)含的信息也很豐富，我們挑用得到的講。

A 區(qū)的 r 滿足 2M＜r＜∞，正是史瓦西線元描述的時(shí)空，也是我們延拓的出發(fā)區(qū)。我們就在這一區(qū)域內(nèi)。

在我們進(jìn)行延拓后，我們正式證明了在 r=2M 處，不具備物理的奇異性，這就意味著發(fā)生在 A 區(qū)的事件可以簡(jiǎn)單地穿過(guò) N 線進(jìn)入 B 區(qū)。反之，如果這里具有奇異性，這樣的穿越可能有些未知的物理過(guò)程。

前面說(shuō)到，N 線是一條徑向的類(lèi)光線，所以，A 區(qū)的所有內(nèi)向的、指向未來(lái)的類(lèi)時(shí)或類(lèi)光曲線都將穿過(guò) N 線，進(jìn)入 B 區(qū)，最終落入奇點(diǎn)(r=0 處)，反之，則不可能，N 線，是一條單向“膜”，事實(shí)上，這就是黑洞的視界。B 區(qū)就是黑洞。

由伯克霍夫定理，愛(ài)因斯坦方程的球?qū)ΨQ(chēng)解必為史瓦西線元，所以球?qū)ΨQ(chēng)坍縮的天體不可能進(jìn)入 W 區(qū)或 A' 區(qū)，如果天體質(zhì)量夠大，坍縮一直持續(xù)到 r=2M，那就再也沒(méi)有挽回的余地了，所有天體在越過(guò) N 線后只會(huì)不停坍縮，直至被壓縮到奇點(diǎn) r=0 處。

這張圖就是克魯斯科爾坐標(biāo)系中恒星的坍縮。

這張圖對(duì)時(shí)間做了一次變換，可以更形象地向我們揭示了視界的奇特性質(zhì)，可以看到，視界之外的物體如果是外向的，將不會(huì)有什么影響，但如果在視界之內(nèi)，將永遠(yuǎn)無(wú)法擺脫，最終只能歸于奇點(diǎn)。

根據(jù)延拓，還有一個(gè)蟲(chóng)洞模型。前方，核能預(yù)警！

by 霜白

Q7、蟲(chóng)洞是什么情況呢？

by 匿名

答:

蟲(chóng)洞也是根據(jù)廣義相對(duì)論提出的一種神奇的模型，不過(guò)同上題的白洞一樣，目前沒(méi)有天文觀測(cè)證據(jù)支撐。很多人覺(jué)得我們可以通過(guò)蟲(chóng)洞實(shí)現(xiàn)時(shí)間旅行，但這種想法可能有些簡(jiǎn)陋。

我們回顧一下上題中的史瓦西時(shí)空最大延拓圖，現(xiàn)在我們?nèi)?T=0 時(shí)，畫(huà)出它的嵌入圖，應(yīng)該長(zhǎng)下面這個(gè)樣子:

這就是史瓦西時(shí)空最大延拓在 T=0 時(shí)的嵌入圖，嵌入圖上半部分為 X 軸正半軸，下半部分為 X 軸負(fù)半軸，因此連接處 r=2M，我們稱(chēng)之為喉。不難發(fā)現(xiàn)，如果我們?cè)谏线呥x定一個(gè)圓環(huán)，則下邊必有一個(gè) r 相同的球面，二者之間的“線軸”就被稱(chēng)為蟲(chóng)洞，這兩個(gè)球面就是蟲(chóng)洞的洞口。蟲(chóng)洞洞口的選取具有任意性。由上題我們知道，上下半?yún)^(qū)分別處于 A 區(qū)與 A' 區(qū)，在遠(yuǎn)處，即 r 很大的地方，時(shí)空是漸進(jìn)平直的，同時(shí)這兩個(gè)區(qū)域無(wú)因果關(guān)系。

所以我們可以做這樣一個(gè)設(shè)想，有沒(méi)有這樣一種可能，這兩個(gè)無(wú)因果關(guān)系時(shí)空在很遠(yuǎn)處是連接在一起的呢？

令人振奮的是，相對(duì)論不禁止這種情況發(fā)生，于是，我們有了下面的圖:

這就是史瓦西蟲(chóng)洞為我們提供的捷徑。

但很不幸，史瓦西蟲(chóng)洞是不可穿越的。

還是要看史瓦西時(shí)空的最大延拓，我們這里的延拓并非靜態(tài)的，其中 B 區(qū)和 W 區(qū)是動(dòng)態(tài)的，所以，史瓦西蟲(chóng)洞并不是一直張開(kāi)的，按時(shí)間順序來(lái)看，蟲(chóng)洞先是完全不張開(kāi)，這時(shí)進(jìn)入洞口會(huì)直接墜入奇點(diǎn)，后來(lái)張開(kāi)，并在 T=0 時(shí)張開(kāi)至最大，而后又逐漸變小，最終完全關(guān)閉。更沮喪的是，我們永遠(yuǎn)無(wú)法在蟲(chóng)洞張開(kāi)的時(shí)間內(nèi)穿越蟲(chóng)洞，因?yàn)閺?A 區(qū)出發(fā)的任一類(lèi)時(shí)曲線都只能進(jìn)入 B 區(qū)，永遠(yuǎn)無(wú)法進(jìn)入 A' 區(qū)。

可如果我就是想要能穿越的蟲(chóng)洞呢，那我們就必須要放棄真空條件了，甚至我們需要奇異物質(zhì)來(lái)?yè)伍_(kāi)蟲(chóng)洞，而奇異物質(zhì)是不被經(jīng)典物理允許的，但根據(jù)量子場(chǎng)論，適當(dāng)彎曲時(shí)空區(qū)域中被扭曲的真空漲落或許正是這種奇異物質(zhì)，不過(guò)這些想法尚沒(méi)有肯定的結(jié)論。

by 霜白

Q8、理論上來(lái)說(shuō)所有波段的電磁波都能生成激光嗎?

by 匿名

答:

激光是一種具有高能量，高相干度的電磁波束。相干性是激光最重要的特點(diǎn)，這要求在光場(chǎng)中相距遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的兩點(diǎn)，仍保有穩(wěn)定的相位差。原則上，任意波長(zhǎng)的電磁波都能形成激光，但實(shí)際上，部分波長(zhǎng)激光的產(chǎn)生有比較大的困難。

從上面這三個(gè)要素，我們就能分析實(shí)現(xiàn)特定波長(zhǎng)激光的難易。對(duì)于微波頻率，可以使用天線，諧振電路等產(chǎn)生，且由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，受微觀熱運(yùn)動(dòng)干擾小，容易實(shí)現(xiàn)較好的相干性。對(duì)于太赫茲波段，波長(zhǎng)在微米量級(jí)，難點(diǎn)在于缺乏合適的增益介質(zhì)，而太赫茲又恰好是很多材料中集體運(yùn)動(dòng)的特征頻率，因此開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的太赫茲光源是目前的一個(gè)重要方向。

在紅外、可見(jiàn)光、近紫外波段，通常使用電子在原子能級(jí)間的躍遷作為增益介質(zhì)的振蕩原理，并且可以通過(guò)倍頻、差頻等非線性光學(xué)效應(yīng)調(diào)整激光的波長(zhǎng)。這也是我們最熟悉的激光器的工作波段。盡管如此，在這一波段依然存在諸多限制因素，例如，激光的增益需要能級(jí)的布居反轉(zhuǎn)，這就對(duì)增益介質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)提出了要求。另外，自聚焦等效應(yīng)會(huì)對(duì)激光器本身造成損害，限制了大部分激光器的輸出功率。

從甚紫外到軟 X 射線波段，對(duì)應(yīng)的是原子中靠近原子核的芯電子的電離能。因此，軟 X 射線激光器的增益介質(zhì)也通常選為高度電離的高溫高密度等離子體。除了增益介質(zhì)的特殊屬性，這一波段電磁波還具有很強(qiáng)的穿透性，因此需要利用多層膜的布拉格衍射構(gòu)造反射鏡以及相應(yīng)的光腔結(jié)構(gòu)。隨著波長(zhǎng)進(jìn)一步減小，構(gòu)建共振結(jié)構(gòu)和尋找增益介質(zhì)都變得十分困難。

，因此，只要調(diào)整電子束的能量，就能獲得從微波到硬 X 射線各波段的高相干度輻射。

by 樂(lè)在心中

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