我膨胀了，竟然想到用激光去测宇宙膨胀速度_(:з)∠)_ | No.127_风闻

原创：中科院物理所

根据现有的理论，我们现在所处的宇宙正在飞速膨胀，周围的星体都离我们远去。两个相向的光如果同时发射，假定我们在朝某一个方向运动的话，那么接收到激光的时间就不一样，用这个方法是不是就能把宇宙膨胀速度测出来了呢？来看我们的答题小哥怎么说。

1

Q：为什么有的时候白天也能够看见月亮，明明是白天月亮也没有被太阳的光芒掩盖？什么条件下更容易在白天也找到月亮？

A：月球是太阳照亮的，日-地-月相对位置角度不同，我们会看到不同的月相：

望月（满月）就是在地球上恰好看到被太阳照亮的一面月球。

朔月就是在地球上恰好看到背对太阳的一面月球。

上、下弦月就是恰好看到一半被照亮的和一半黑暗的。

盈凸月、亏凸月就是看到一大部分被照亮的，一小部分黑暗的。

新月、残月（蛾眉月、月牙）就是看到一小部分被照亮的，一大部分黑暗的。

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朔月时，月亮在白天出现，但无法看见。

望月时，月亮夜晚出现，白天去了美国。

新月、残月时，月球与太阳在天上相隔角度太小，容易湮没在太阳的光芒下，所以不容易在白天看到，只能在凌晨日出前在东边地平线附近（残月）、黄昏日落后在西边地平线附近（新月）短暂看到一个月牙。

凸月时，月球很亮，月球与太阳在天上相隔角度也大，容易看到，但是出现的大部分时间属于晚上，属于白天的也是短暂的清晨（西边看到即将落下的亏凸月）和傍晚（东边刚刚升起的盈凸月）。

弦月则介于月牙、凸月之间，白天出现的时间和亮度都适中。能在白天看到的时间比较长，但在白天不是很容易看清。

总结：凸月时最容易在白天看到月亮，而凸的程度越大（也就是月球与太阳在天上相隔角度越大），越容易看到，但能看到的时间也越短。

2

Q：向两个相反的方向发射激光，光线走过相同的距离所花的时间是不是不一样啊。我这样想是想测量地球随宇宙膨胀的速度

A：你想的挺好，这么好的办法为什么天文学家没有想到呢？

因为根本就不是你想的这样的啊！宇宙的膨胀是均匀、各向同性的，没有一个点是中心。就像一个在充气的气球，不是说以气球中心为原点，地球长在球皮上跟着膨胀离中心越来越远，而是整个宇宙就是球皮，随着时间演化（充气），越来越大，上面的任意两个点之间的距离也越来越远。所以向相反方向发射激光，光线走过相同的距离所花的时间是一样的。但是通过观测遥远的星系远离我们的速度（红移），我们可以计算宇宙膨胀的速度啊。

我好孤独啊，整个宇宙都在远离我呢。

3

Q：盐水可以降低溶液熔点的原因是什么？有没有升高熔点或升高/降低沸点的方法？

A：要回答这个问题，我们要先来看看水是怎么结冰的，当温度降低到冰点以后，水分子开始不那么“自由”了，相邻的水分子之间开始形成氢键，并自发形成有序的晶体结构，最后形成冰的结构，每个水分子都相对固定的在一个小的区域内振动。

但是其实这是一个动态平衡的过程，不断地有水分子脱离这个结构同时又不断的有水分子参与进来形成相对固定的晶体结构。但是盐的加入打破了这个动态平衡，盐离子与水分子结合起来，使得参与形成冰结构的水分子变少了，减弱了上述动态平衡的第二个过程，但是当温度继续降低，又会重新形成一个新的动态平衡，反映到宏观上就是熔点降低了。至于提升水的熔点，通过加压有希望实现，不过需要加到635MPa，这是6000多个大气压了，在那以前熔点几乎不怎么变。降低气压也能提高熔点，但是只能提升0.01K，实在是太不给力了。还有一种方法就是加特定溶质，比如CaCl2，当CaCl2的质量分数超过38%以后，熔点就会超过0度。相图如下 

至于提升沸点，加压就可以了，我们常用的高压锅就是通过提升压强来提高沸点，降低沸点也可以通过降低压强来实现，高原地区水的沸点都比较低，所以他们要用高压锅。除此之外向水里加盐也可以提高水的沸点，向水里边加酒精可以降低水的沸点。

4

Q：买来的馒头凉了会变硬，这是为什么？是食品质量问题吗？

A：放心吧！馒头凉了变硬是正常现象，主要是由水分丢失和淀粉老化导致的，属于自然发生的物理化学过程。题主可能是担心不法商贩故意非法添加不明物质？然而馒头利润本来就不高，变硬了口感差也不好卖，不法商贩虽然坏，但是并不傻，亏本的生意不会去做。

馒头主要成分是淀粉，蛋白质等。其中淀粉占比最多。淀粉从结构上可以看作是由几百到数千个葡萄糖分子聚合而成，其分子呈细长链状，不过因链的形式不同，有直链淀粉和支链淀粉之分，前者形如长龙盘旋，后者形似珊瑚簇拥。淀粉分子上分布有大量羟基，如小触手一般，既能与邻近结构相互拉扯，也能与外界水分相互作用。

蒸煮加热时，水会进入淀粉分子间隙中，并依靠氢键的作用，将淀粉分子内的连接部分地断开，渐渐溶胀甚至分裂，形成粘稠的糊状物，称为糊化过程。反过来，馒头凉下来时，淀粉分子自身，以及相互之间，会部分地重新排列，变回紧密状态，从而变硬，这个过程称为淀粉的老化，水分太多或太少都会影响老化过程。此外，馒头凉下来的过程中，水分也会有所丢失，不仅让淀粉结构更为紧密，而且缺少了水的“润滑”，也会导致它变硬。

不过，容易引起疑惑的是，为什么有的馒头凉下来不那么硬，有的却貌似更硬一些呢？这个确实容易引起大家不好的联想，从而把它归于未知的食品质量问题。其实呢，这个现象不仅与蒸煮、冷却时的湿度环境和变温过程有关，还与面粉中直链淀粉和支链淀粉的比例有关。对照前述两者的结构特点，容易发现，直链淀粉结构简单致密，水分难进易出，即难糊化，易老化，口感偏硬；支链淀粉，结构杂乱分散，水分易进难出，即易糊化，难老化，口感偏软。所以呢，做面食时，想要劲道一点，比如做粉皮，就选择直链淀粉比例较高的绿豆粉；要是想粘糯一点，就选用支链淀粉比例较高的糯米、粘玉米。同样是淀粉，煮熟的挂面、土豆粉、地瓜粉，口感差别很大，干了的挂面、粉条、方便面，硬度和吸水特征也很不同，这些都与制作工艺和淀粉比例直接相关。类似地，回到馒头的问题上，不同地区或品种的小麦得到的面粉，其中直链淀粉与支链淀粉比例不同，不同人制作馒头的工艺也不同，凉下来老化后的硬度自然就不同啦。

5

Q：短路是因为某段电路电阻非常小，接近于零而引起的，那么为什么电流会选择电阻小的电路呢?

A：并不是电流选择了电阻小的支路而是电场使电阻小的支路里的电子运动了起来。这里要澄清一个误区，开关闭合瞬间电路中流动的电子并不是从电源处运动到测量点的，而是电场驱动了此处的电子让它们运动起来形成电流。就像水管里流动的水并不是从水厂瞬间移动到你家的，你家水管刚开始流出的水是原本就在你家水管里储存的那部分水。

所以，在电路中，电阻大的支路中电子被限制得很死，电场不容易驱动它们不能形成电流，但是电阻小的支路里的电子很容易被驱动形成电流。看起来好像是电流自动选择了电阻小的支路一样。

6

Q：摩托车加速时前轮会抬起，山地自行车加速时却用锁死减震前叉的方式防止车头下沉“卸劲”，为什么表现会相反？

A：题主的问题可以概括为为什么摩托车加速时会抬头而山地自行车加速时会车头下沉？

先分析摩托车的情形：摩托车加速时如果以摩托车自身为参照系的话，我们需要在摩托+人的质心处施加一个非惯性力。非惯性力的大小正比于加速度。如果以后轮和地面的接触点为参考点，可以看出，只要加速度足够大，非惯性力也会足够大以至于将摩托车向上掀起，这就是摩托车加速时前轮抬起的原因。

对于自行车来说，情况好像应该和摩托车一样。但是对于自行车来说启动加速度不够大，另一方面在加速过程中运动员会身体前倾甚至离开车座，这会导致整个系统重心前移，重力的力臂变大因此对前轮施加的压力会变大，下压的趋势超过了抬头的趋势，表现为车头有下沉的趋势。

7

Q：电压到底是怎么形成的?

A：电场可以分为两种，一种是由电荷产生的电场，这种电场是有源场。我们所说的压就是由这种电场产生。另一种电场是无源场，我们不详细讨论它。

对于有源电场，当电荷在电场中运动时 ，电场会对电荷做功，而且有源场是保守场，也就是说，只要是电荷在电场中运动的初末位置确定了，则整个过程中电场力做功值就确定了，和电荷走哪条路径无关。所以只要我们将一个点处的电势能任意给出，原则上我们可以唯一确定电荷在任一位置的能量。用能量除以电荷量得到的量是电势，它只和电场自身有关而与试探电荷无关。两点之间的电势差就被定义为电压。电压反映的是电荷在电场某两点之间运动时，电场对单位电荷做功能力的大小。当两点之间的距离不太远时，电压也可以一定程度上反映这个区域内电场的大小。

8

Q：关于摩擦力做功 到底用受力物体位移还是力作用点的位移计算呢 在平动做功定义中用的是力作用点的位移 但将一个物块放在木板上 物块对木板滑动摩擦力做功却是用木板位移而不是摩擦力作用点位移计算

A：做功是考虑受力物体的位移，题主的困扰主要是搞不清楚受力物体。

当我们各种力学公式的时候，往往是说的质点。当问题扩展到一个大物体（质点组），可能会出现一些麻烦。

比如一根杆子A端固定，我推动B端走了1米，这个做功应该按1米算，还是按杆子的质心0.5米算？亦或者题主说的滑动摩擦问题。

那么我们回到本源，我们把物体分割成无数个质点。

先看我的例子：

我力F推动的是杆子A端这个质点，你杆子上其他点的运动跟我力F有什么关系？

所以这个做功应该按照受力物体质点A的位移来算，也就是看起来像力的作用点。

再看题主的例子（这个比较难以理解）：

摩擦力f每一小段时间ti把木板上一个质点mi往前推了距离si，做功wi=f*si，然后自己又往前跳了距离xi到了另一个质点m(i+1)身上。这样加起来，木板走了Σsi=S，而力f的作用点往前走了Σ(si+xi)=X，但是做功是Σ(wi)= f*Σ(si)=f*S，也就是看起来像“受力物体”木板的位移。

当然了，被力推动的质点A、mi又给了杆子、木板中相邻质点力的作用，质点之间互相有力的作用，最终是宏观上我们看到整个物体都被推动了。