温度的极限在哪里？| No.197_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2020-03-14 22:57
原创：中科院物理所
宅在家中默默量完体温的小编
凝视着体温计上细细的水银线
陷入了沉思——
绝对零度是宇宙的最低温度
那么最高温度是多少呢？
为什么温度有着不可逾越的下限
却未曾听说过温度的上限在哪里呢？
1
Q
为什么干燥时更易产生静电呢？
by 匿名
A
想开门却不敢摸把手，想睡觉却不敢脱衣服，想牵手却怕电到那个Ta，这些幸福（并不）的小烦恼想必大家都遇到过，这都是因为静电这个磨人的小妖精，总在不经意间给我们一个惊（jing）喜（xia），而且静电多发生在天气干燥时，那么了解静电是怎么发生的也许能帮助我们更好地理解为什么干燥时更容易产生静电。首先，当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电，也就是物体由于正负电荷不平衡而带电的现象，比如我们中学学过的摩擦起电等都会产生静电（当然，摩擦并不是产生静电的唯一条件）。其次，这种电荷聚集不会自动消除，需要一定的放电途径来转移电荷从而平衡正负电。当我们触碰其他物体时就是形成了一个放电通道，电荷通过这个通道转移时的放电，电压较高，但是能量很小，我们可以把这种放电称为火花放电。也就是说，静电有两个关键要素，一个是电荷聚集，一个是放电。那么，空气的干燥程度是如何影响上述两个关键要素的呢？第一，空气的干燥程度会影响体表和空气的导电能力，干燥的空气水蒸气含量低，导电能力差，使得体表的电荷不容易被导走而发生电荷聚集；第二，空气的干燥程度会影响电荷的不平衡分布，当空气湿度较高时，空气中的水蒸气附着在人体和其他物体表面，能一定程度上减弱由于摩擦或其他方式导致的电荷聚集，从而减少静电现象。那么，看到这里，各位小机智们应该已经想好了对抗静电的正确姿势了吧，记住，要用魔法打败魔法！
By 懒懒的下午三点半
2
Q
为什么风筝能飞，断了线就飞不了了？
by emm
A
我们假定风筝在空中处于静止状态，风筝受到三个力的作用：重力，风筝线的弹力和风力。其中风力和风筝与风的相对速度有关，相对速度越大风力越大。当有风筝线时，风筝不能随风飘走，风筝与风的相对速度较大，所受风力也比较大，风力足够将风筝托起来。当风筝断线后，风筝会随风飘动，这直接导致风筝与风的相对速度减小，风筝所受风力减小，风力不足以托起风筝导致风筝下落。
By Nothing
3
Q
夜深人静时，耳边响起蚊子声，此时蚊子离我们耳朵的最远距离是多少厘米?
by 匿名
A
先说结论，非常近！为了计算蚊子到底有多远，我们需要一个标准值，常见的用来衡量声音大小的就是分贝这个单位，「分」的意思是十分之一，「贝」则是纪念发明电话的那个大发明家，贝尔。如果你对分贝没概念的话，0 分贝大概相当于 3 米外有一只蚊子飞过。由于分贝的定义是和声音强度呈对数关系。如果我们把蚊子发出声音的过程看做一个点声源的话，那么声音强度随距离的变化关系满足平方反比率，因此人感受到的声强也与人到声源距离是对数关系。随着距离增大，声音迅速衰减。接下来我们就可以计算蚊子到底有多近了。夜深人静时的环境噪声大约 20dB，因为人耳已经能听到蚊子声，蚊子声音肯定分贝更高，计算可知此时蚊子距离你只有 20cm 左右。这个只是理论的上限，实际会更近。这个距离下你完全可以对着自己的脸就是一巴掌，有很大概率蚊子直接毙命。
教程：这样拍蚊子
方法已经教给你们了，正所谓「和平只在大炮的射程里」，下次耳边再响起蚊子声，请直接动手。
By 真的这么打死过蚊子的 NKXXX
4
Q
为什么温度有下限却没有上限？
by 匿名
A
这完全是定义的问题。温度的概念源自于热力学第零定律，达到热平衡的两个系统处于同一类等价类里，可以找到一个相同态函数，这个态函数就是温度。具体怎么对温度进行标定，就涉及到温标的概念。比如摄氏温标，定义一个标准大气压下的冰水混合物是 0 摄氏度，沸水是 100 摄氏度；我们也可以利用气体会热胀冷缩的性质规定问题。前面的温标建立还和特定的物质有关，我们也可以根据卡诺热机构建与测温物质无关的绝对温标。从前面这些可以看出来，温标的定义其实还是很自由的，假如我们把摄氏温标倒过来，规定冰水混合物是 100 度，沸水是 0 度，这样就能得到一个没有「下限」的温度了，越热温度越「低」（上限变下限，娱乐无极限
）。可能你不知道，历史上最早还真的是这么定义的，发明摄氏温标的摄尔修斯是瑞典人，长年寒冷，倒过来定义可以避免负数。
By NKXXX
5
Q
为什么会发生半波损失？
by cj
A
简单地理解，由于传播介质的改变，波的各个性质当然应当相应地改变。这就好比是你从陆地上跳进水里，行动方式等会相应地改变。而所谓半波损失，实际上是波的相位在界面上突变了π（也就是某种性质的改变啦）。所以这样来看，半波损失其实并不是意料之外的事——界面上，什么改变都是意料之中的。
具体来说，界面上的改变由边值关系确定。边值关系就是连接界面两边的“桥梁”，决定了界面上的规律。就像你从陆地上冲进水中，虽然行动方式改变了，但“冲进去”的速度在下水瞬间是不变的，那么速度不变就是一个“边值关系”。对于机械波，界面的力或者位移等其他约束便决定了边值关系，而对于光这种电磁波，电磁学的定律以及两边介质的性质决定了其边值关系，由这些边值关系便可以知道波在反射或者透射时的行为。也是由边值关系，就可以算出机械波或光在特定情况下便会出现所谓的“半波损失”啦。而实际的一般情况，也远不止半波损这样简单，但均可用边值关系这个万能的工具得到。
By Colliding Paul
6
Q
自行车车轮可以是三角形吗？
by 匿名
A
只要敢想就没有什么做不到，不过是把车轮换成三角形而已，说换就换，○-○→△-△。当然，换轮胎不只是为了换轮胎，换完了能继续骑才行，圆形看上去就很舒服，而棱角分明的三角形看上去就觉得骑着硌屁股。那么会不会有一种特殊的三角形能像圆形这样呢？为了解答这个问题，我们先在这里引入一种特殊的三角形，莱洛三角形。三个等半径的圆互相通过彼此的圆心，重合部分即为莱洛三角形（或者分别以等边三角形的三个顶点为圆心，边长为半径 做三段段圆弧，围起来的图形就是我们圆滚滚的莱洛小三角了）。这样的三角形有一个很特别的地方，他的每一对平行切线间的距离都是一样的，这一点和圆形是一样的，也就是说他们在各个方向上的宽度是一样的，因而像这样的图形也被称为等宽曲线（当然除了圆形和莱洛三角形之外还有很多其他形状的等宽曲线）。莱洛三角形等宽的特点使得人们能利用他来运输物品，可以做到和圆形一样平稳，甚至可以不做成截面是莱洛三角形的柱状。
（图源百度）
这样看来似乎用莱洛三角形做车轮也没有那么硌屁股呢。那么，实践是检验真理的唯一标准，莱洛三角形的车轮骑起来感觉如何呢？答：费劲且颠簸。（说好的可以和圆形一样平稳运输呢？）虽然将一块木板放到莱洛三角形上确实可以做到平稳运输，但是我们在开兰博基尼时（醒醒起来上网课了），并不是在车轮上放一块木板这样往前走，而是需要车轮绕轴转动使得车往前运动，这就导致了等宽的莱洛三角形设计成车轮时会产生颠簸，因为莱洛三角形的轴心在向前运动的过程中是上下起伏的。下图中的黑点即为莱洛三角形的轴心，可以看到在运动过程中，其几何中心不稳定，轴心并不是固定在一定高度的。
（图源百度）
不过虽然不适合设计成车轮，莱洛三角形在工业应用中发挥了很大的作用，这一点在这里就不详细说明了。所以，综上所述，只要你能忍受上下颠簸，三角形车轮并不影响你开兰博基尼，甚至会有路人觉得你是个Cool girl/boy，但可能会影响你开兰博基尼带心爱的男孩子（或女孩子）兜风
。
By 懒懒的下午三点半
7
Q
牛顿力学为什么在微观世界和极快的速度（光速）下，就不适用了呢？
by 老薛的双重猫
A
解答1：
无论在任何时候，决定一个物理理论是否正确的最高标准都是——实验。牛顿力学之所以在微观与高速状态下不适用，是因为有相应的物理实验否决了它。1865年英国物理学家麦克斯韦从著名的“麦克斯韦方程组”中推导出光是一种电磁波，随后得到实验证实。当时的理论认为光是在一种名为“以太”的介质中传播，以太的参考系就是绝对静止的参考系，测定出实验室中光速随地球运动速度变化而产生的变化，就可以得出地球相对以太参考系的运动，来证明以太的存在。但令人惊讶的是，1887年的迈克耳孙-莫雷实验恰恰得出了光速不随地球运动变化的结论，从而否定了以太也就是绝对静止参考系的存在。之后，爱因斯坦在1905年提出了著名的“狭义相对论”，认为“一切物理定律在所有惯性系下均保持不变”，以及“无论何种情况，光在真空中总是以确定的光速c传播”。在这种时空观下，假设某地有两个人A与B，A向前发出一束光，A测得光速为c=299792458m/s，B立刻相对A以299792457m/s的速度向光追去，那么在B看来，光速是多少呢？也是299792458m/s。这种违反直觉的时空观成功解释了迈克耳孙-莫雷实验的，其推导出的一系列有趣的物理现象与公式，如“尺缩”“钟慢”以及“E=mc^2”，后来也一一得到证实，从而最后在高速情形下取代了牛顿力学。1911年，英国实验物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验，根据实验结果提出了原子的核式结构模型，即电子绕原子核作轨道运动。但这个模型有一个缺陷就是根据经典电磁理论，电子在运动过程中会不断发射电磁波，从而迅速损失能量，最终掉到原子核里面去。之后玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、玻恩、狄拉克等人建立起的量子力学理论则很好地解释了这个问题。量子力学理论认为，在进行观测之前，电子以波函数的形式存在，空间各点的波函数值确定了电子的状态。换句话说，电子不是存在于空间某一处，而是每一处。在观测之前，是每一点的波函数在与其他物质相互作用从而不断演化。观测导致波函数坍缩到某一点则是一个概率问题，在某点观测到电子的概率正比于这点波函数的模平方。在量子理论中根本没有所谓轨道的概念，从而经典理论推出的原子崩溃现象根本不会发生。量子力学理论的大获成功标志着牛顿力学在微观领域的折戟。
By 书蠹诗魔
8
Q
牛顿力学为什么在微观世界和极快的速度（光速）下，就不适用了呢？
by 老薛的双重猫
A
解答2：
物理学是通过实验和思辨得到的，实验数据只能来自于有限多的实验（你不可能做无数多的实验来获取数据），这也是科学只能被证伪而不能被证实的原因，因为你永远不能靠穷尽所有实验得到的数据来构造理论，说不定哪天你就能碰到理论不能解释的实验数据。牛顿力学的实验数据来自于宏观低速世界，由于在得出牛顿力学的过程中根本没有使用高速和微观领域的数据，因此，我们没有理由认定牛顿力学可以完美解释微观，高速领域的数据。在研究微观高速领域的现象时确实出现了牛顿力学不能解释的数据。这并不是完美的牛顿力学突然失效了，而是因为在总结牛顿力学的时候我们并没有考虑所有的情况。这样看来，利用不完整的数据总结出的牛顿力学在高速，微观领域失效就不奇怪了。在接近光速的运动中，爱因斯坦提出了狭义相对论。在微观领域，世界遵循量子力学。那么，宏观低速世界是否就和高速或微观世界就完全割裂了？答案是否定的，对相对论做低速近似或者对量子力学做经典近似都可以得到牛顿力学的内容，牛顿力学成了相对论或者量子力学在宏观低速领域的近似理论。用不完整的数据就得到更精确理论的近似表述正是牛顿强大物理能力的体现。
By Nothing