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为什么闪电不走直线?| No.44

中科院物理所
2017-02-17
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又是周五了~

期待已久的问答

又有新动态了呢

人逢周五精神爽,哈哈

周末之前再给大脑充充电吧~

这周咱们聊聊地球、闪电

还有其他好玩的东西

还是不剧透了~

1

Q

地球到底是实心还是空心,科学家如何得出地球内部有核、幔、壳结构的结论。

By 转在路上的山

A

如果看过凡尔纳的《地心游记》,就肯定会被书中主角一行人从火山洞跳入地心的经历所吸引。在凡尔纳的年代,由于难以对地球内部结构有深层的认识,地球空心论曾大行其道,当时也有很多试图找到通往地心的洞穴的冒险家。但如果对此稍加分析,地球空心很大程度上是不合理的。如果地球是空心的,那么是如何抵抗大质量物体相互吸引的引力而不至于坍缩的呢?花开两朵,各表一枝,人类发现地球的分层结构是利用了地震波。1910年克罗地亚科学家莫罗霍维奇发现地震波的速度在地下某一深度处有突然的增高,这就是地壳与地幔的分界面。接着1914年美国科学家古登堡发现在地下更深处,还有一个速度分界面,这就是地幔与地核的分界面。但我们对地下真实情况的了解还是很肤浅的。人类目前能到达的深度有限,比如苏联的科拉钻井,到了地下12千米,但连地壳还没有钻破。利用对岩浆等的研究,我们也能获得一些关于地幔物质的数据。但目前我们对地球内部物质组成的认识,还有很多未被证实的猜想。

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2

Q

引力弹弓如何实现加速,从能量守恒考虑,它的能量应该不变,当有气体阻力还会减小,速度为什么会增大?

By 流星雨

A

考虑能量守恒时,我们要考虑的不仅仅是我们要发射的“子弹”---假设就是飞行器吧,还要考虑与其发生相互作用的“弹弓”---假设为一颗行星,这个两体系统遵循能量和动量守恒。简单的推导可以得到,二者的相对运动速度不会发生变化,假设行星速度为U,飞行器速度为V,二者初始相向运动,那么相对运动速度为U+V;待到飞行器绕过行星,二者的运动方向同向,而行星的运动速度基本不变(其实略有减小,但可以忽略不计),那么飞行器的实际运动速度就变为2U+V,如此便实现了加速的目的(如图所示)。当然这只是一个简化的推导,不过我们所说的正是《火星救援》中NASA的黑人小哥所提出的救援方案~不仅仅在影视作品中,实际上引力弹弓效应的确被用来航天飞行器的加速,其中非常著名的是美国于1977年发射的“旅行者1号”探测器,它在经过木星和土星时便是通过引力效应获得了加速,2014年9月13日它终于飞出太阳系,成为首个冲出太阳系的人类制造的飞行器!

3

Q

宇宙是无限的吗?奇点大爆炸后形成宇宙,而宇宙是不断膨胀的,是否代表宇宙是有界的?界之外又是什么,大爆炸之前又是什么?

By 独行

A

我只想说,问问题的童鞋恰好把两个关键词弄反了QwQ。

现在的观点认为,宇宙是有限而无界的。举个很简单例子,一个球面,它的面积是有限的,但是这个球表面却是无界的。圆,莫比乌斯带,都是这样的例子。

宇宙之外是什么?很多学者认为宇宙可能不止我们这一个,还有其他的,只是目前无法证实。那么这些宇宙之外又是什么呢?这个问题或许需要的是脑洞:)

大爆炸之前是什么,这个就有很多观点。威腾认为:宇宙是凭“空”产生的,但这个“空”不是一般意义上的空。关于这个问题,BBC有一部相关的纪录片,有兴趣的童鞋可以去看一看。

4

Q

您好,我想问下pn结两端电势电势为什么是平的(电势图)?即使pn结两端无限长也是平的吗?那是不是意味着pn结的形成抬高了某一端的电势?那为什么用电压表测量pn结两端电势却测不出来呢?谢谢您!

By 小小的学徒

A

PN结是P型半导体和N型半导体接触面附近所形成的空间电荷区。P型半导体的多数载流子为空穴,N型半导体的多数载流子为电子,当这两种半导体接触时,由于两种半导体载流子浓度差,P区的空穴会向N区扩散,N区的电子会向P区扩散。这样,在界面附近就形成了空穴和电子的中和区,界面附近的P区就出现了负离子,N区出现正离子,形成一个N区指向P区的电场,从而阻止载流子的扩散,最后达到平衡。内电场主要出现在离子形成的区域,也就是界面附近,这便是空间电荷区。而更远的P或N的半导体区由于载流子的存在可以看成一个等势体。PN结就是空间电荷区,题主所说的PN结两端无限长可以理解为P和N的区域大了,这对PN结的形成特性没有影响(更大的P和N区用不上)。

由于内电场的出现,PN结的形成必然使得N区的电势变高了,但是这用电压表是测不出来的。电压表实质上是一个电流表,有电流就意味有功率输出,这意味着靠电荷浓度差引起的扩散就能源源不断的输出能量(永动机)。其实电压表不能测出的电势很多,比如空间的静电场。

5

Q

既然光速是有限的,那么所谓距离多少万光年星球,我们看到的是不是这个星球多少万年前的样子啊?不是观看当下的样子?

福慧

A

定性地来说,是的,就像你今天(2月17日)女朋友送的礼物,落款却是“情人节快乐”一样。拿你现在的时间减去信使(快递小哥,或者光子)一路上花的时间,就是信息发出的时间。

但精确考虑的话,这个问题就不太好回答了。为什么呢?上面之所以能够那样算,是因为默认我们都生活在一个经典的体系里,就是说世界各地全用同一个钟表,如果“上帝”老头伸手把这个钟停了,那么所有地方都将处于同一时间,就如同孙悟空喊了一声“定!”,所有的事物都变成了雕塑,不管你是在喝水打哈欠,还是在嬉戏打闹,浮云不再飘动,浪花不再落下,太阳不再燃烧,银河不再旋转,那拂面的风也成了定格。但是相对论说了,其实每个物体都有自己的钟,是快是慢取决于这个物体的速度以及所处的空间曲率。假如那个星球正好在一个黑洞附近呢?假如那个星球正高速运动呢?即使你知道光子在路上走了一万零一年,你也只能说A星是在地球的一万零一年前发出的,而不能说是在A星的一万零一年前发出的。因为发出那个光子后A星上的人民到底过了多少年,还要看他们自身所在的系统,他们时钟的步伐和我们不一定一致。

不过在近似平滑的空间相对速度又不是很大的情况下,还是可以用经典的方法来计算的。比如昨天火星人民表示异球恋还是很痛苦的,说一句话都要等十分钟。

6

Q

最近印度不是准备发射那个火箭吗?请问它是怎么把那么多卫星一下子送上天的呢?我们中国准备怎么做?

By 空间

A

一箭多星里,比较成熟的方式,是以主带从——一个质量最大的主卫星,附加以若干小的子星;一般来说主星的质量超过所有子星质量之和。发射时,优先考虑主星的轨道,子星以弹射的方式送出,与主星保持一定距离。所以,子星一般无法携带复杂的大功率仪器,一般只具有相对简单的功能。

一箭多星的技术,主要是两方面因素促成的:一方面是因为经济的原因,一方面则是因为电子设备微型化。

其实吧,因为子星作用很少,所以这种方式并没有在原来一箭一星的基础上提高多少,真正的难题,是要将多个等质量的卫星发射出去。

中国在这方面,还是有底子的。可以参考12年的新闻“北斗首发‘一箭双星’,中国导航加速。”

7

Q

太空中的反物质是否能被观测到呢?如果可以,应该怎样观测?

A

我们知道,我们眼前所见的桌子、椅子、手机、电脑都是由原子组成,而原子是由质子、中子和电子构成,这些我们称为正物质。当然这么定义只是为了和反物质区别。而所谓反物质,即除了质量外,其它所有性质都和正物质相反的物质。例如电子质量是9.1*10-31kg ,电荷为-e;它的反物质正电子的质量也是9.1*10-31kg ,但电荷却是+e。质子、中子或者夸克等也都一样,我们还可以用反质子、反中子等合成反原子。

反物质和正物质(例如电子和正电子)一旦相遇就会湮灭,变成高能光子或者其它正反物质对。那这就有一个问题,茫茫宇宙中,几乎全是正物质,反物质岂不分分钟被湮灭了?是的。按照现有的说法,宇宙早期CP破坏,导致正物质比反物质稍微多那么一点儿,结果就是,反物质湮灭没了,正物质还剩了一点儿,构成了我们现在的手、脚和大地。

那么太空中是否还有反物质呢?有的。虽然宇宙早期的反物质湮灭干净了,但太空中的那些高能粒子相互碰撞的过程中还是会产生反物质的,例如正电子、反质子等。太空中的物质太稀薄了,于是反物质在与正物质碰头湮灭之前还能跑很远距离的,或者说能“活”好长时间。有多少反物质呢?不多,反质子只是质子的的1/10000(GeV量级)。

介绍了这么多背景知识,现在来回答问题:能不能观测,怎么观测?当然能,要不我们怎么知道它有呢。最早发现反物质(正电子)是通过威尔逊云室观测到的,如下图(那条弯曲的细黑线)

方法其实很简单,加个磁场,一个粒子过去后会云室中的气体会被电离,描出一条轨迹。测一下轨迹半径,用笔算算,发现这个粒子质量、电荷和电子完全一样,只是它往左偏了,而电子是应该往右的。于是我们发现了正电子。

现在太空中有很多探测器,例如丁肇中领导的阿尔法磁谱仪,我们的猴哥“悟空号”,以及费米实验室等,其原理都差不多,只不过不再用云室,改成硅板了。(下图为阿尔法磁谱仪结构图)

8

Q

为什么闪电不走直线,而是分叉的?不是两点之间直线电阻最小吗?

By 阿诺

A

首先大气中电离物质的分布并不是均匀的,因此空间中两点之间并不是直线通道的电阻最小。且闪电路线沿着电阻小的通道延展开来,而空间中电阻小的通道显然不止一条,所以就会有这样的现象,闪电走的路线是曲折并且分叉的。

综上可知闪电分叉的关键原因有两个,一是导电介质---电离物质的分布,二是这些导电物质如何运动。

电离物质来源于太阳辐射,地面辐射以及宇宙射线与大气分子的作用,一个能量足够高的光子(或其他高能粒子)能将电子从一个分子或原子中“撞”出去,从而留下一个正离子并在“远”处形成一个负离子。因此大气中总存在个别离子-----比如失去一个电子或者额外获得一个电子的氧分子。而这些刚刚形成的离子会通过电场吸附周围极性分子,成为一小团块,与其他团块一起,在大气电场中到处漂移。而其中“大离子团”在电场中移动较慢,而“小离子团”则最易于移动,从而导致空气中的电导率随离子团大小变化。这些“离子团”分布不均匀是因为高空大气的局域对流以及风在地面刮起的灰尘(作为“核”拾取小离子电荷形成大离子),或者人类把各种污染物(PM2.5)抛入大气中,导致靠近地面的电导率变化得很厉害。这也是为何靠近地面时,闪电会出现更多分叉以及弯曲程度更高。

而形成闪电的机制类似于给一个电容器加足够高压后形成击穿电流。而这形成击穿电流的过程有两个关键因素,一是大气电场极化小水滴,二是重力场影响云朵纵向的电荷分布。

上右图云朵的底部将会带负电,原因是被极化的水滴,其底部带正电,顶部带负电,在水滴降落过程中将每个水滴有更大几率地带负电,总的效果是云底部带负电。当云朵底部的负电荷积累到足够量时,云朵底部与地面形成的电容器将被过高的电压击穿,从而形成闪电。对于闪电的研究仍然在继续,因为我们不知道云朵中的大离子团是否能源源不断地提供负电荷,并且云朵内部不止水滴在移动,还有各种其他带电颗粒的移动等等。不过有一点是可以明确的,大气电流每时每刻将正电荷带向大地,闪电把大量负电荷带向大地,而我们的大气和大地就是一个时时刻刻在工作的巨大电机。

参考:

【1】雷暴雨云中电荷分离的理论是C.T.R.Wilson威尔逊首先提出来的。在1911年,他把这个现象与自己的理论结合改进了威尔逊云室(1896年最先由威尔逊发明)。威尔逊也因威尔逊云室,最早的带电粒子探测器,获得了1927年的诺贝尔奖。

【2】费曼物理学讲义.第二卷.第九章

本期答题团队:

清华 物理系41的同学、北理工 文卿、大化所J.Baker、理论所W.Jia

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编辑:Wqd

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