1分鐘物理：中科院物理所幫你解答“為什么”

Q:如果失控的電梯在做自由落體運動，里面的人在電梯即將落地時跳起，電梯在人落地前落地，那么此人會受傷嗎?

別笑，很多人小時候都想過用這種方法避險。答案當然是不行了。我們詳細分析一下為什么不行。男子跳高世界紀錄是2.45米，別忘了這是背越式的，運動員實際重心升高不到2米。這還是在有助跑的情況下。美國職業(yè)籃球聯(lián)賽球星克里斯?韋伯(ChrisWebber)原地起跳紀錄是1.33米，別忘了人家跳之前會下蹲蓄力加抬腿。

很不幸，你在自由落體的電梯里面，所以別說助跑了，下蹲都做不了。

現(xiàn)在，假設我們什么都不管了，我們瘋了，我們認為你骨骼清奇，原地一蹦2米高?？赡怯衷鯓?比如，電梯從10米高的地方失控，那你蹦完之后速度一抵消的效果，等于你從8米高的地方開始失控。你還是“妥妥滴”......

現(xiàn)在，我們假設你是不世出的絕頂高手，苦修40年就是為了今天，你一蹦10米高!而且電梯天花板也非常懂事地先自己消失一會兒。這回你終于能活下來了吧?

很遺憾，并不能。你還是“妥妥滴”......

要記住，真正殺死你的不是速度，而是加速度。

Q:為什么光可以用東西擋住，聲音卻不可以?

其實聲音也是可以用東西擋住的，光也可以不被東西擋住。你問題

中的光指的是我們能夠看見的可見光，你問題中的聲音也只是可以聽到的聲音。

在物理上，光和聲音都是一種波動現(xiàn)象。只不過一個叫電磁波，一個叫機械波而已。而決定一個波會不會被一個東西擋住的因素很簡單:波長的尺度與物體的尺度。如果波長遠小于物體的尺度，那么這樣的波就會被物體擋住。反之則不會。

人能夠聽到的聲音的波長在17毫米到17米這樣一個尺度范圍內。日常生活中的絕大多數(shù)東西也恰好都在這個尺度范圍內。結果就是聲波很容易繞過這些物體被我們聽到。這種現(xiàn)象就叫衍射。

另一方面，可見光波長的數(shù)量級只有幾百個納米，這個尺度遠遠小于日常生活中物體的尺度。所以光看上去幾乎就是直線傳播的。

問題的關鍵不是光或者聲音，而是波長。聲波波長很短時就不能繞開物體了，超聲波就是準直線傳播的聲波。同樣，波長長的光波/電磁波也可以繞開物體。這就是你在家到處都能收到Wi-Fi信號的原因。(Wi-Fi信號是電磁波，2.4GHz協(xié)議，它的波長差不多就跟你的臉一樣寬。)

Q:據(jù)說孫悟空是以音速飛行的，因為他的筋斗云就是音爆云，這是真的嗎?在水中以音速運動又是怎樣的情況呢? 

聲音的本質就是介質振動的疏密波(縱波)。一架飛機飛行的過程中碰撞空氣產(chǎn)生振動，這種振動就以聲波的形式向外擴散。

當達到音速的時候，飛機在碰撞自己跟前的空氣，而空氣卻來不及將這種擠壓擴散出去，因而被緊密地壓在一起，對飛機產(chǎn)生劇烈的阻力和擾動，這一現(xiàn)象叫音障。

在這一過程中，被擠壓的空氣有很大的壓強，高壓下空氣中的水蒸氣被液化成小水滴，形成一片白色的“云”。這一現(xiàn)象就叫音爆云。

音爆云和音爆都只在飛機突破音速的那一刻產(chǎn)生，一般來說持續(xù)幾秒鐘—沒有飛機會一直卡著音速飛行。速度完全超過音速以后，飛機自身反倒平靜了許多。飛機仍在碰撞空氣，但它將自己發(fā)出的聲音甩在了身后，本來應該以球面波形式傳播出去的聲波波前此時形成了一個錐形面—飛機在錐尖的位置。

飛機外面的你在“聲錐”之外什么都聽不到。當聲錐界面經(jīng)過你的位置時，空氣壓強的突變會使你聽到如爆炸一般“砰”的一聲，這就是音爆現(xiàn)象。之后你在聲錐之內了，聽到的就是正常的飛機飛行聲。

上面描述的“聲錐”有個學名叫激波。在任何介質中，點波源的速度超過介質中的波速，都會產(chǎn)生激波現(xiàn)象。水中聲速為 1500 米/ 秒左右，如果一個物體能在水中超過這個速度，想必會產(chǎn)生比空氣中更加劇烈的激波現(xiàn)象，只不過這樣的現(xiàn)象很少被觀察到。

雖然水中聲速很快，但水面波(就是一枚石子投入水中產(chǎn)生的漣漪) 往往波速很慢—一般每秒只有幾米。跑得快的船在水面可以產(chǎn)生艏波，這也是一種激波現(xiàn)象。

事實上，這一現(xiàn)象甚至對光也成立。真空光速是不可超越的，但介質中的光速卻可以。一些高能粒子可以具有比介質中光速更高的速度，這也會發(fā)生類似的激波現(xiàn)象，學名叫切連科夫輻射。這一現(xiàn)象在高能粒子的探測中有重要應用。

Q:外星人的眼睛有沒有可能接收紅外線或者紫外線?他們會不會比地球人的視野更寬闊? 

可能啊，相當可能!其實我們不需要提外星人—難道題主忘了江湖上名震天下、紅極一時的皮皮蝦?我們要說的不是吃貨嘴里那種土里土氣的皮皮蝦，而是它的親戚，色彩艷麗的齒蝦蛄科孔雀螳螂蝦。這家伙至少有 16 種視覺感受器，其中 6 種可分辨普通顏色，6 種可分辨紫外線，還有 4 種可以分辨圓偏振光!是不是很逆天? 

其實，視覺方面的能力與生物擁有的視覺感受器種類直接相關，且往往與其生活環(huán)境及生存需求密切相關。人類擁有負責感應光強的視桿細胞和負責捕捉顏色的三種視錐細胞;汪星人和喵星人更關心黑夜里捕捉獵物的能力而對顏色需求不大，故視桿細胞更發(fā)達而視錐細胞種類比人少;蜜蜂和蝴蝶天天在太陽下面拈花惹草，可以在紫外線圖景下分辨各種花瓣;響尾蛇需要精確感應溫度變化、判斷獵物位置，紅外視覺對其非常重要。

至于皮皮蝦嘛，這么逆天的能力居然用來談戀愛!色彩艷麗的外殼只有它能欣賞，圓偏振光的交流暗號也只有它能看懂......同在一個地球，尚且如此不同、各懷絕技，那遠在宇宙深處的外星人，你猜會怎樣呢? 

Q:太陽溫度那么高為什么沒蒸發(fā)? 

第一，太陽表面已經(jīng)是氣態(tài)和等離子態(tài)了;第二，太陽表面引力很大，是地球的 28 倍，氣體無法逃逸到太空中去。(耀斑和日珥是例外。) 

Q:一只蒼蠅在汽車里飛，沒有附著任何東西，它為什么會相對地面跟汽車保持一樣的速度? 

它并不是沒有附著任何東西。它附著空氣?？諝飧街?。

其實常見的一類問題個個都可以用上面這句話回答。比如:為什么飄在空中的熱氣球還是會跟著地球自轉?因為空氣跟著地球自轉?？諝庵愿厍蜃赞D，是因為如果不這樣，地表就會不停地摩擦空氣，使它慢慢轉起來，直到達到穩(wěn)態(tài)。

《1分鐘物理：中科院物理所趣味科普專欄（第1輯）》

編者：中國科學院物理所

北京聯(lián)合出版公司2019年3月出版