激光都是可見光嗎

Q1、分貝的大小是怎么定義的？

by AAA

答：

分貝的應(yīng)用領(lǐng)域很多，在不同領(lǐng)域里的定義也不完全一樣。當(dāng)然，不同定義背后的邏輯是類似的，都是把一個物理量與基準(zhǔn)值的比值取對數(shù)。

我猜，問題想問的是衡量聲音響度時的分貝。衡量響度的物理量是聲強級，它的單位是分貝。所謂某個地方的聲強級，就是指這個地方的聲強（或者叫功率密度）與參考強的比值取對數(shù)再乘 10，它的數(shù)學(xué)表達是，其中就是參考聲強，是人耳能分辨的最弱的聲音強度。如果某個時候聲強，這時就是 0 分貝；如果，對應(yīng)的聲強級就是 120 分貝。研究發(fā)現(xiàn)人耳對聲強的敏感度大約成對數(shù)關(guān)系 —— 聲強每高十倍，人耳感受到的聲音大一倍，因此聲強級使用對數(shù)。而前面的系數(shù) 10，則是為了使用方便 —— 聲強每高十倍，分貝數(shù)加十。

除了聲強級，我們還可以用聲壓級來定義聲音響度，聲壓級的單位也是分貝。它是以聲壓（或者說聲音波動的振幅）做物理量來求比值的，前面的系數(shù)也相應(yīng)變成了 20。這是分貝的另一種定義，這兩種定義并行，但似乎前一種更常用。

by 藏癡

Q2、為什么滾燙的鐵鍋遇冷水不炸裂？

by 千厘

答：

鋼鐵器件的開裂是由冷卻過程中內(nèi)應(yīng)力引起的，這里的內(nèi)應(yīng)力可分為熱應(yīng)力和組織應(yīng)力兩種。熱應(yīng)力是鋼鐵器件在冷卻過程中，內(nèi)外層冷卻速度的不同造成溫度不同，以至于熱脹冷縮的程度不同引起的。組織應(yīng)力是器件在冷卻過程中，由于內(nèi)部組織轉(zhuǎn)變時間不同而引起的。兩種應(yīng)力相互疊加，當(dāng)應(yīng)力達到某一臨界值，就會產(chǎn)生形變，出現(xiàn)裂紋。

在這里以低碳鐵材質(zhì)鐵鍋為例，在生活場景中，普通家用燃氣灶燒鐵鍋中溫度在 200-300℃之間，根據(jù)鐵-碳合金相圖可知，鋼在這個溫度區(qū)間不發(fā)生組織改變，所以產(chǎn)生組織應(yīng)力可以忽略。再者低碳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較大，與冷卻介質(zhì)水進行熱交換的速度快，從而內(nèi)外層溫差小，熱脹冷縮引起的熱應(yīng)力達不到足以發(fā)生裂開的臨界值，故滾燙的鐵鍋遇冷水不炸裂。

by 深淺

Q3、事情是這樣的，我用手機錄像，想錄下靜電起電機教具的靜電放電過程，然后我發(fā)現(xiàn)，每次肉眼可見的電弧，在手機里并不是每次都能看見，但每一次電弧擊穿空氣的“噼啪”聲，每一次都錄進去了。請問為什么有些電弧沒能被手機拍進去呢？（這導(dǎo)致實際用肉眼看到的電弧比手機錄像拍下來的多得多）

by 深藏不露

答：

你好，這種情況大概是手機拍攝幀率不足造成的，可以通過調(diào)高攝像幀率的方式來解決。

我們知道，手機攝像是通過 CMOS 或 CCD 等傳感器來采集光信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來成像的。一般來說單位時間內(nèi)采集到的圖像張數(shù)越多，放映出來的錄像就越流暢，每秒拍攝的照片數(shù)被稱為幀率。目前大部分電影都是采用 24 幀率的設(shè)備進行拍攝和放映的，而手機設(shè)備在錄像時的幀率一般在 30 左右，即每秒拍攝 30 張照片，每張照片的拍攝間隔約為 0.03s。當(dāng)電弧的持續(xù)時間小于 0.03s 時，便可能在兩幀照片的中間被略過，從而無法被拍攝下來。

而手機麥克風(fēng)的錄音的采樣頻率相比攝像的采樣頻率便要高了許多，一般在 20000Hz 到 50000Hz 之間，兩次采樣的間隔大約為 0.00002s 到 0.00005s。因此，電弧聲基本是可以被錄音采樣到的。要想采集到電弧的圖像，建議把手機攝像的幀率調(diào)高一點，或者使用更加專業(yè)的高幀率攝影設(shè)備。

by 單身男青年

Q4、為什么說白矮星是恒星的尸體？

by 匿名

答：

白矮星、中子星確實可以看作是較大質(zhì)量恒星的尸體，是恒星演化的最終階段。

這事啊，得從恒星開始講。眾所周知啊，引力是宇宙中獨一無二的主角，各種天體都自愿走上對抗引力的道路，恒星就是這么來的。大質(zhì)量天體在引力作用下收縮，這個過程中引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能，天體中心溫度升高，點燃氫核聚變，釋放能量，與引力的收縮達成平衡，這就是恒星。但是，氫，是有限的，就像太陽，還有區(qū)區(qū) 50 億年，這個敗家子就要把氫燒完了。那時候，如果恒星中心處的溫度不足以點燃氦的聚變，那引力將再一次取得上風(fēng)，迫使恒星繼續(xù)收縮，直至點燃氦核，這之后，氦聚變釋放出的能量將加劇外圍氫的燃燒，又使得恒星進一步膨脹并冷卻，成為紅巨星。

氦也用完后，天體就會剩下一個碳或氧組成的核心，如果恒星先天不足，質(zhì)量太小，剩下的這個核心的引力勢能不足以點燃碳或氧的聚變，那他的生命就走到了盡頭，成為一顆白矮星。這時的天體會在引力的作用下繼續(xù)收縮，密度不斷變大，直至另一種力量成長到足以對抗引力，這股力量就是電子簡并壓，它來自于天體核心處的電離態(tài)的電子。簡并壓只有在高密度下才足夠強大，因此白矮星密度很高。碳-氧中心球質(zhì)量小于 1.4 倍太陽質(zhì)量的天體（由于演化中會丟掉大量質(zhì)量，其在恒星階段的質(zhì)量大概是 8 倍太陽質(zhì)量），死亡后就會成為白矮星，太陽顯然也在其列。

by 霜白

Q5、中子星是什么？

by 匿名

答：

接上題，但如果恒星質(zhì)量更大一些，最終的歸宿也有可能是中子星。

更大的質(zhì)量意味著其可以進一步點燃碳的聚變反應(yīng)，最終遺留下來的中心球，主要是鐵，這是最穩(wěn)定的原子核了，便不可能再聚變了，這時，還是在引力作用下，中心迅速收縮，產(chǎn)生的高溫高壓會使光子具有非常高的能量，這些光子足以將原子核毀滅，電子與質(zhì)子結(jié)合生成中子并釋放中微子，最終，整個中心形成由中子組成的核心，靠更強大的中子簡并壓遏制住引力坍縮，這就是中子星。其密度比白矮星還高，質(zhì)量上限不太確定，只能說是約為 2 倍太陽質(zhì)量，或者說是 1.5-3 倍太陽質(zhì)量。中子星的體積一般不大，典型的中子星半徑在 10km 數(shù)量級，還沒有海淀區(qū)大，但質(zhì)量就不可同日而語了，中子星還擁有超高的磁場、超高速的旋轉(zhuǎn)等奇特性質(zhì)，一直是天文學(xué)的研究重點。

質(zhì)量再大的天體，最終會形成黑洞，且看下題分解，前方，高能預(yù)警。

ps：這其實是一位讀者的一個問題，但答起來篇幅實在過長，故拆成 4 道題（原來只有三道，我自己加了一道），也順便加點工作量，四道題的參考文獻都是下面這個，就不重復(fù)寫了。

ps：把那幾個說我們不講物理的抓回來！這回這個算物理吧。

參考資料：

• [1] 梁燦彬.從零學(xué)相對論 [M]. 高等教育出版社，2013.

by 霜白

Q6、黑洞是天體嗎？

by 匿名

答：

如果恒星質(zhì)量更大，在坍縮過程中沒能拋棄足夠的質(zhì)量形成穩(wěn)定的白矮星或中子星，那最后將形成黑洞。

黑洞是廣義相對論預(yù)言的一種非常奇特的天體，擁有極高的密度，引力強到連光也無法逃脫，因此看起來漆黑，仿佛宇宙在那里破了個洞，所以黑洞這個名字也很貼切了。當(dāng)然，我們目前已經(jīng)擁有了一些觀測證據(jù)，黑洞是存在的已經(jīng)被絕大多數(shù)人接受。

在愛因斯坦提出廣義相對論之后，史瓦西首先求得了一個靜態(tài)的球?qū)ΨQ解，即真空的史瓦西線元，這個解分別在 r=0 與 r=2M 處具有奇異性，后來我們證明，前者是真奇異性，后者是坐標(biāo)奇異性，于是我們進行延拓。下圖就是史瓦西時空的克魯斯科爾最大延拓。

這張圖很重要，下題還會用到，其中蘊含的信息也很豐富，我們挑用得到的講。

左圖中 A 與 A' 為兩個無因果聯(lián)系的漸進平直區(qū)，B 為黑洞區(qū)，W 為白洞區(qū)。T 為時間，X 是空間，這張圖壓縮了兩個空間維度，陰影區(qū)外任一點都代表一個球面，陰影的分界線是兩條雙曲線，該雙曲線的漸近線正是兩條 N 線，分界線上 r=0，具有真實的奇異性，因此，陰影區(qū)內(nèi)的點并不存在。兩條 N 線與坐標(biāo)軸夾 45° 角，其上 r=2M，這兩條線同時也是兩條徑向類光測地線，在這兩條線上，時間沒有意義，是發(fā)散的（見右圖），這正是史瓦西線元在此處的奇異性的來源。其在非陰影區(qū)可見其不具備奇異性。

A 區(qū)的 r 滿足 2M＜r＜∞，正是史瓦西線元描述的時空，也是我們延拓的出發(fā)區(qū)。我們就在這一區(qū)域內(nèi)。

在我們進行延拓后，我們正式證明了在 r=2M 處，不具備物理的奇異性，這就意味著發(fā)生在 A 區(qū)的事件可以簡單地穿過 N 線進入 B 區(qū)。反之，如果這里具有奇異性，這樣的穿越可能有些未知的物理過程。

前面說到，N 線是一條徑向的類光線，所以，A 區(qū)的所有內(nèi)向的（r 值越來越小的）、指向未來的類時或類光曲線都將穿過 N 線，進入 B 區(qū)，最終落入奇點（r=0 處），反之，則不可能，N 線，是一條單向“膜”，事實上，這就是黑洞的視界。B 區(qū)就是黑洞。

由伯克霍夫定理，愛因斯坦方程的球?qū)ΨQ解必為史瓦西線元，所以球?qū)ΨQ坍縮的天體不可能進入 W 區(qū)或 A' 區(qū)，如果天體質(zhì)量夠大，坍縮一直持續(xù)到 r=2M，那就再也沒有挽回的余地了，所有天體在越過 N 線后只會不停坍縮，直至被壓縮到奇點 r=0 處。

這張圖就是克魯斯科爾坐標(biāo)系中恒星的坍縮。

這張圖對時間做了一次變換，可以更形象地向我們揭示了視界的奇特性質(zhì)，可以看到，視界之外的物體如果是外向的，將不會有什么影響，但如果在視界之內(nèi)，將永遠無法擺脫，最終只能歸于奇點。

根據(jù)延拓，還有一個蟲洞模型。前方，核能預(yù)警！

by 霜白

Q7、蟲洞是什么情況呢？

by 匿名

答：

蟲洞也是根據(jù)廣義相對論提出的一種神奇的模型，不過同上題的白洞一樣，目前沒有天文觀測證據(jù)支撐。很多人覺得我們可以通過蟲洞實現(xiàn)時間旅行，但這種想法可能有些簡陋。

我們回顧一下上題中的史瓦西時空最大延拓圖，現(xiàn)在我們?nèi)?T=0 時，畫出它的嵌入圖，應(yīng)該長下面這個樣子：

這張圖片大家應(yīng)該比較熟悉，大家在相對論的科普中應(yīng)該見過不少。這種圖被稱作嵌入圖，是我們在三維歐氏空間中用圖像表示四維時空的一種手段，上文提到，我們凍結(jié)了時間，其實我們還壓縮了一個空間維度，這張圖上每一個圓環(huán)實際上都是一個球面，四維時空在這張圖上便只剩下兩個維度，所以，在這張圖上只有面上的點才有意義，面外的點并不存在，我們只是將其畫在一個三維歐氏空間而已。

這就是史瓦西時空最大延拓在 T=0 時的嵌入圖，嵌入圖上半部分為 X 軸正半軸，下半部分為 X 軸負(fù)半軸，因此連接處 r=2M，我們稱之為喉。不難發(fā)現(xiàn)，如果我們在上邊選定一個圓環(huán)（實際上是個球面），則下邊必有一個 r 相同的球面，二者之間的“線軸”就被稱為蟲洞，這兩個球面就是蟲洞的洞口。蟲洞洞口的選取具有任意性。由上題我們知道，上下半?yún)^(qū)分別處于 A 區(qū)與 A' 區(qū)，在遠處，即 r 很大的地方，時空是漸進平直的，同時這兩個區(qū)域無因果關(guān)系。

所以我們可以做這樣一個設(shè)想，有沒有這樣一種可能，這兩個無因果關(guān)系時空在很遠處是連接在一起的呢？

令人振奮的是，相對論不禁止這種情況發(fā)生，于是，我們有了下面的圖：

這就是史瓦西蟲洞為我們提供的捷徑。

但很不幸，史瓦西蟲洞是不可穿越的。

還是要看史瓦西時空的最大延拓，我們這里的延拓并非靜態(tài)的，其中 B 區(qū)和 W 區(qū)是動態(tài)的，所以，史瓦西蟲洞并不是一直張開的，按時間順序來看，蟲洞先是完全不張開，這時進入洞口會直接墜入奇點，后來張開，并在 T=0 時張開至最大，而后又逐漸變小，最終完全關(guān)閉。更沮喪的是，我們永遠無法在蟲洞張開的時間內(nèi)穿越蟲洞，因為從 A 區(qū)出發(fā)的任一類時曲線都只能進入 B 區(qū)，永遠無法進入 A' 區(qū)。

可如果我就是想要能穿越的蟲洞呢，那我們就必須要放棄真空條件了，甚至我們需要奇異物質(zhì)來撐開蟲洞，而奇異物質(zhì)是不被經(jīng)典物理允許的，但根據(jù)量子場論，適當(dāng)彎曲時空區(qū)域中被扭曲的真空漲落或許正是這種奇異物質(zhì)，不過這些想法尚沒有肯定的結(jié)論。

by 霜白

Q8、理論上來說所有波段的電磁波都能生成激光嗎?

by 匿名

答：

激光是一種具有高能量，高相干度的電磁波束。相干性是激光最重要的特點，這要求在光場中相距遠大于波長的兩點，仍保有穩(wěn)定的相位差。原則上，任意波長的電磁波都能形成激光，但實際上，部分波長激光的產(chǎn)生有比較大的困難。

傳統(tǒng)來說，激光的產(chǎn)生需要“激發(fā)來源”、“增益介質(zhì)”和“共振結(jié)構(gòu)”三個要素。激發(fā)來源驅(qū)動增益介質(zhì)振蕩，是激光的能量來源。增益介質(zhì)從微觀上可以看成是一些量子或經(jīng)典的諧振子，其振蕩激發(fā)了交變的電磁場，增益介質(zhì)的特性決定激光的波長。為了提高相干性，常常還需要讓產(chǎn)生的激光在共振結(jié)構(gòu)（例如諧振腔）中來回反射，起到同步相位，選頻和增益放大的作用。

從上面這三個要素，我們就能分析實現(xiàn)特定波長激光的難易。對于微波頻率，可以使用天線，諧振電路等產(chǎn)生，且由于波長較長，受微觀熱運動干擾小，容易實現(xiàn)較好的相干性。對于太赫茲波段，波長在微米量級，難點在于缺乏合適的增益介質(zhì)，而太赫茲又恰好是很多材料中集體運動的特征頻率，因此開發(fā)高質(zhì)量的太赫茲光源是目前的一個重要方向。

在紅外、可見光、近紫外波段，通常使用電子在原子（分子）能級間的躍遷作為增益介質(zhì)的振蕩原理，并且可以通過倍頻、差頻等非線性光學(xué)效應(yīng)調(diào)整激光的波長。這也是我們最熟悉的激光器的工作波段。盡管如此，在這一波段依然存在諸多限制因素，例如，激光的增益需要能級的布居反轉(zhuǎn)，這就對增益介質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)提出了要求。另外，自聚焦等效應(yīng)會對激光器本身造成損害，限制了大部分激光器的輸出功率。

從甚紫外到軟 X 射線波段，對應(yīng)的是原子中靠近原子核的芯電子的電離能。因此，軟 X 射線激光器的增益介質(zhì)也通常選為高度電離的高溫高密度等離子體。除了增益介質(zhì)的特殊屬性，這一波段電磁波還具有很強的穿透性，因此需要利用多層膜的布拉格衍射構(gòu)造反射鏡以及相應(yīng)的光腔結(jié)構(gòu)。隨著波長進一步減小，構(gòu)建共振結(jié)構(gòu)和尋找增益介質(zhì)都變得十分困難。

不過，存在這樣一種激光源，其構(gòu)造和工作原理和傳統(tǒng)激光器有很大不同，具有產(chǎn)生從微波到 X 射線各個波段激光的能力，這就是自由電子激光源（FEL）。FEL 利用的是帶電粒子做變速運動時發(fā)出的同步輻射，其原理如下圖所示，一束高能電子束，從左至右經(jīng)過一系列極性交替排列的磁體陣列，由于受到洛倫茲力作用發(fā)生橫向振蕩，進而沿運動方向發(fā)出同步輻射。設(shè)相鄰磁體間的間隔為，電子運動的洛倫茲因子為，則地面系中同步輻射的波長，因此，只要調(diào)整電子束的能量，就能獲得從微波到硬 X 射線各波段的高相干度輻射。

by 樂在心中

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Frions

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