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赫罗图?恒星演化的套路|No.35

发布时间:2016-12-02 16:01浏览次数:100Tags:中科院物理所

当当当当~(一声一声一声三声,饱含感情地)

问答专栏又来咯~

这次有个好消息,就是物理所正式登陆知乎了!

还是原来的配方。

还是原来的味道。

一切为了人民群众!

一切为了科普事业!

一切为了凝聚态物理学的繁荣昌盛!

我们。。。编不下去了

(PS: 问答专栏从来不选的那些招生类提问,现在可以去知乎戳中科院物理所机构号了哦~)

1Q

衣服湿水之后颜色为何会变深?

what if

A

衣服的颜色一般是由于反射或者散射特定颜色光线并吸收其他颜色形成的(黑色是全色吸收,白色是全色散射)。衣物对于光的散射有两个成因(或者成分):首先是由于表面纤维或者表面细小起伏造成的,这部分可以近似认为对各种颜色都一样比例散射(严格的来讲,蓝光散射比红光强,但是相对于颜料作用来对比,这部分可以近似认为是常数);然后是由于颜料的作用,这部分可以近似认为指定颜色(例如红色衣服的红色)全散射,其他颜色全吸收。当衣服干燥时,表面纤维或者表面粗糙造成的散射效应较强,所以除了颜料的指定颜色外,其他颜色也有部分被散射出来,所以衣物看上去颜色淡;当衣服被打湿以后,表面纤维或者表面的细小起伏被水抚平或者被水填充,从而使得衣物表面更平整,因此由于表面纤维和小起伏造成的散射大大降低,最终使得除了颜料的功效更突出,除了颜料指定颜色外,其他颜色被散射的非常少,所以衣物看上去颜色更深。

2Q

为什么说欧姆定律是适用于大多数导体而言?那么剩下的极少数导体是指什么?为什么欧姆定律并不适用于这些导体呢?

棒旋

A

欧姆定律适用于纯电阻电路,金属导电和电解液导电,在气体导电和半导体元件等中欧姆定律将不适用。

这和物质本身的性质有关系。在金属导体中,电流以自由电子为载流子。电子在定向移动的过程中会受到来自原子核的平均阻力,同时,电子的热运动也会阻碍电子的定向运动(所以金属导体的电阻随温度升高而升高)。与之类似电流在电解质溶液中的载流子为阴阳离子。而在半导体中,载流子不仅是电子,还有因为电子的移动而留下来的空穴(相当于一个正电荷)半导体内部结构很复杂,内部发生一些物理化学反应,不能使能量全部用于发热,它不是纯电阻电路,所以欧姆定律不适用。气体导电更复杂.气体介质在电压作用下由于其导电的机理,非线性明显,随电场加强,经过
1.欧姆电导区,基本是线性,符合欧姆定律,电阻很高,电流要高灵敏的静电计才测得出来.
2.饱和电流区,电场加强,电流基本不变.
3.电流激增区,电流随电场强度快速激增,直至气体被击穿.
它也不是非线性元件.
所谓电阻其实也是个理想模型,像我们试验用的实际的电阻其实也是含有电感和电容的,而且有一定的非线性(就是U/I在U不断变大时不是定值了),不过以上现象不明显,我们近似当它是电阻了。

3Q

什么是赫罗图?

巴巴

A

赫罗图由丹麦天文学家Hertzsprung和美国天文学家Russel提出(简称H-R diagram)。常见的赫罗图如下:

Figure 1(图片选自wiki)

其中横轴为恒星表面温度,纵轴为光度(绝对星等)。如果把大量恒星都画在这张图上,人们便会发现,他们的分布是有一定规律的。图中对角线处,分布密集,大约90%的恒星处在这一区域,即所谓的主序带(main sequence),处在上面的恒星称为主序星;主序带右上方分布的称作红巨星(redgiant),一般而言光度高而温度低,体积巨大颜色偏红;红巨星之上是超巨星(supergiant),它的光度更高;左下角还有一块区域,即白矮星区域(white dwarf)。恒星随着时间是不断演化的,相对应的不同时期的恒星就会处于图中的不同区域,赫罗图为我们提供了一般恒星的演化历程,从而帮助科学家们给出相关恒星的形成、演化模拟机制,是研究恒星演化的重要工具。

小彩蛋

    根据恒星的表面温度可以把恒星大概分为7种光谱型:O、B、A、F、G、K、M(图中所示)有一句口诀:Oh be A Fine Girl Kiss Me

    我们熟知的太阳现在正处于主序阶段,再过约50亿年,它将变成一颗红巨星,体积膨胀到地球也会被吃掉!

4Q

薛定谔方程到底想表达什么含义呢?

巴巴

A

薛定谔方程就是量子世界的牛顿方程,描述的是一个粒子或者多个粒子的动力学(也就是在某种受力下如何运动)。具体而言,就是只要我们给定了系统的初始状态,和它所受的全部力(如果是多个粒子的情况,还应该考虑粒子之间的相互作用力),那么这个方程就告诉了我们这个系统在下一时刻、下下时刻以及之后的所有的演化。更深入一点说,在量子力学中,用来完整描述给定系统的,是所谓的“波函数”,任何可观测的物理量,如系统中粒子的位置、速度等,都可以通过这个波函数(比较容易地)求出来。薛定谔方程就是描述波函数随时间演化的波动方程,可以类比于麦克斯韦方程是描述电磁波演化的波动方程。

5Q

NASA提出的emdrive无工质驱动是否可行,其原理为何?

sic per

A

最近emdrive被炒得很火,据该项目研究团队称,它是靠微波在空心导体圆台内多次反射产生推力,这和光压有关。但一个很明显的事实是,如果这个东西确实工作的话,那么它违反人类已知的动量守恒定律,这就好比让你左脚踩着右脚一发力就腾空而起,还可以照此方法越飞越高(¬_¬)。所以现在有很多科学家出来各种解释,不过任何一种解释都是要牺牲一定的现有物理理论框架。对于emdrive的结局,我们还要拭目以待,真理需要时间来检验。

最后给出几个链接,感兴趣的可以自己查阅相关资料。

1.Emdirive官方网站:www.emdrive.com,里面可以下载到它的理论文献。

2.最近NASA发表在《Journal of Propulsion and Power》上的测试文章:arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.B36120

6Q

什么是拓扑相,可不可以简单地说一下?

华子

A

我们知道,物体由原子组成,原子由原子核和电子组成,那么,凝聚态中一个很核心的问题就是回 答,为什么大家都是有电子和原子核组成,但是却具有完全不同的性质?为什么水和水,都是相同 的元素组成,却表现出不同的性质? 原则上,我们可以写出一个有10^23量级数目的电子薛定谓方程,解得这个薛定谓方程就会得到我们 想要的一切信息。且不说这个方法有没有可操作性,但这样一个方法显然并不是物理学家们追求的。 物理学应该是简单的,物理学家们相信应该可以用一个统一的,简单的量来对物质进行分类,对于 属于同一类的物质,我们把它们叫做同一相。 比如,铜和FeSe在温度足够低的时候,他们内部的电子都会表现出相同的行为,电阻为零,完全抗 磁。所以我们把他们叫做超导相(当然这个分类是指电子而言的)。 描述上面的这些相,以及相变的理论,叫做朗道二级相变理论。

~~~~~~~~~~

这是一个引子,我们简单理解了相的概念,就可以来谈谈什么是拓扑相了。 实际上,朗道对于物质的分类是依据于体系的对称性,之所以物体具有不同的相,比如说H2O,是 因为他们具有不同的对称性,在二级相变的过程中,总是伴随着对称性的自发破缺。当然这些大概 是三十年前的观点,近三十年的发展,使得人们意识到,有一些物质,他们具有相同的对称性,但 是却会表现出截然不同的性质,那么,按照我们信念,同一个相的物质,应该有着相同的性质,所 以这意昧着朗道对称破缺理论并不能够完全描述我们的对于世界的认识和分类~~ 并且,进一步的研究大家发现,之所以这些具有相同对称性但是有不同物理性质的相,我们可以定 义一些拓扑不变量(意昧着这些拓扑不变量对外界的扰动不敏感)来区分他们。

~~~~~~~~~~~

那么这么看来,把物质按照他们拓扑不变量来分类就是一个水到渠成的事情。

关于拓扑相具体的概念和发展,推荐大家看一下刘正鑫老师和孟子杨老师的《拓扑相之小史》文章

http://mp.weixin.qq.com/s/eP1aRvdUKZsQb8cClOpMvw

7Q

一二三维空间没有时间轴,那就是绝对静止了,但是宇宙中没有绝对静止的物质。从四维空间开始,都是在时间上做文章,一直到十维空间,那我们就应该是活在四维空间里,怎么说成是三维空间呢?物理学划分维度有七个维度通过时间来递推的,你能确定时间一定存在吗?如果这样,那十维空间的宇宙之外又是什么?为了解释宇宙之外,就会一直处在循环解释之中,一个宇宙之外有平行宇宙,那平行宇宙之外呢?

Inchill

A

首先,纠正一下认识。十维空间并不是说三维空间加上七维时间。超对称弦理论适用的维度是十维空间,它是九维空间+格拉曼斯数的超空间。什么是格拉斯曼数呢,通俗的讲,A*A=0的数。这样的数字的引入是为了适应在唯一位置只能存在一个费米子这样一个事实。而九维空间呢,三维是我们所熟知的,而剩下六维 则蜷缩成卡拉比-丘成桐空间,它在纸面上画出来大概是这样。

其实宇宙不只是十维,弦理论适用的维度是二十五维空间。而在杂交弦理论中,弦的两种振动是在两个维数不同的空间内完成的。那么你一定很好奇我们到底生活在几维空间呢?现在一种观点认为,空间不是宇宙的基本量。空间如同温度一样,只是一种宏观表现,就如温度是分子热运动的表现一样。还有更深层次的物理量决定着空间。

说了这么久都没有,时间哪去了?时间与空间不同,时间具有方向性而空间不具有方向性。很多物理规律是时间对称的但是宏观不能反演。除此之外,热力学第二定律是一个少见的以时间为参数的不等式(绝大多数物理规律都是等式)。时间到底是什么,这个问题还没有人给出确切的答案。

至于平行宇宙,最初是为了解决微观上的概率与现实中的唯一事件的矛盾而引入的概念,意思是其实每一种可能都发生了,只是我们的宇宙发生了这种,而其他宇宙发生了另外的几种。现在这个概念不止如此,就如现在的一种观点认为宇宙是由两个膜宇宙相互撞击后产生的。

平行宇宙之外是什么?现在的观点认为我们处在D-3膜上,那么除了这个“面”宇宙,还会有其他“面”宇宙,还会有“体”宇宙。

8Q

自旋是什么呀?希望有一些易懂的解释。本人是个高中生,看好多东西都会有自旋的出现,感觉自旋是个蛮重要的东西,去网上查了好多资料,但是还是不明白自旋具体是什么,还是说以一个高中生的知识理解不了自旋啊。

Dempsey

A

为了把这个问题讲的清楚一点,我们可能要多说几句,所以大家做好心理准备~~

先来说说自旋是个什么东西吧,然后我们再来谈谈怎么理解自旋。

首先要明确的一点是,自旋完全是一个量子的东西,没有所谓的经典对应。这句话什么意思呢?

首先呢,我们先来说说经典的角动量,

我们可以看到,因为角动量是一个矢量(不止有大小,还有方向)。所以,当我们想要确定一个角动量的时候,我们需要同时确定(Lx,Ly,Lz)才可以。

但是呢,当我们在量子力学的框架中讨论角动量,事情就会变得不一样,具体说来

第一,在量子力学中,我们没有办法同时确定角动量的三个分量(Lx,Ly,Lz)的值。而只能确定(L^2,Ln)的值。

第二,不仅我们没有办法同时给出(Lx,Ly,Lz)的值,而且我们还发现角动量是量子化的。

第三点,就是我们发现,在量子力学中,比如电子绕着原子核运动,我们角动量的定义还是

只不过现在,里面的坐标和动量要满足量子力学的对易关系,但是,这样一个(轨道)角动量是有一个经典对应的,因为我们可以把他写成经典的坐标和动量的叉乘。但是,奇怪的是,在量子力学中,还存在一个不能写成坐标和动量函数的(内禀)角动量S,这个(内禀)角动量实际上就是粒子的自旋。

为什么我们把这样一个没有经典对应(就是我们没有办法把自旋S写成粒子的坐标和动量的形式)的自旋叫做角动量呢?这是因为他们满足和轨道角动量满足相同的対易关系。

所以,你看到,自旋是我们在把角动量推广到量子力学中而出现的一个没有经典对应的内禀角动量。

这是由于自旋没有经典的对应,而我们的日常的语言和经验都是在经典物理中产生的,所以对于自旋这个概念的经典描述都会显得比较拗口,比如,下面这个图片:

它想要表达的就是,如果我们非想要用经典的语言去理解自旋的话,就会把自旋想象成电子在自转,但是要注意的是,电子并不是真的在自转。

这种拗口的语言描述的来源就是,我们想用经典的语言来描述一个没有经典对应的量,而产生的。

所以,自旋是什么?———自旋就是自旋!

另外,个人觉得这样一个自旋的图像可能会更好一些……

9Q

你好!物理一直希望走向大统一,可是其他基础科学(化学、生命科学)是否有走向统一的可能?更进一步,大统一呢

A

这位同学提出了一个完全(脑)开(洞)放(大)性(开)的问题。我们认为世界是由物质相互作用(力)而产生和连接在一起的。几个世纪的科学探索使我们把世界上千变万化的力归结成四种基本作用力,强相互作用力,电磁相互作用力,弱相互作用力,引力相互作用力。这样的一种成就让我们认为世界是有终极规律的。终究会归结于一个原则。把上述四种力用一种理论解释是爱因斯坦终其后半生所期望实现的目标。统一场论成为物理学重要的研究课题。杨振宁先生诺贝尔奖后最重要的工作就是在规范场论中提出了杨-米尔斯规范理论,使得四大作用力的统一研究产生了重大进展。

基本粒子的相互作用不但是物理学的基础,同时也是化学的基础。翻开任何一本化学书,原子结构,成键规则,分子轨道,配位规律,电子结构,光学特征等等等等,无不依赖于电磁相互作用,也无不依赖于量子力学。生物生化学是更复杂层面上的化学过程,这种高度复杂的化学过程构成了生命演化的基础。从本源上,我们把一个个生命过程中的反应孤立开,就会看到其化学基础与普通量子化学没什么区别。如果把每个化学反应步骤孤立开看,其反应的方向产物的结构的规律与物理学的基本原理也并无不同。但化学之所以不是物理,生物不是化学,也正是因为我们不能把它解析的孤立的看。我相信不论物理还是化学生物都是有规律的,都是可以用简单的图像来描述归纳的。这应该说是一种信仰,这种信仰支撑着我们去不断的认识世界。自然科学是有统一的规律的,它在不同人为划分的学科中体现不同。但这不是说我们可以用一种理论,一个公式解释万相。

本期答题团队:

物理所 C. Fang、sym、Z.S.、Y. Yin、W.J.Liang

大化所J.Baker 清华 程卓 北理工 文卿



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