月球背面為何如此神秘？| No.136_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-01-04 15:23
原創“中科院物理所
長久以來月球背面一直是一個神秘的存在，
“月球背面有外星人飛船殘骸”，
“月球背面有納粹秘密基地”，
“月球背面居住有外星人”，
這些陰謀論很早就流通於坊間，
時至今日也時常見諸網絡中。
然而真的存在月球背面這個概念嗎？
在我們看不到的另一面又有着什麼不為人知的故事呢？
1
Q
為什麼砸含有棉花的冰不容易砸碎呢？
by I N F I N I T E
A
首先，我們砸碎冰塊實際上是向冰的表面施加外力，從而在受力一側產生裂縫，並向不同方向逐漸擴散的過程。而我們在冰中放入棉花，是利用了棉花內的植物纖維的填充效果，可以在冰的內部形成的網狀結構（加固作用），從而有效阻斷了裂縫的蔓延，也就表現出含有棉花的冰會顯得更不容易被砸碎。這和樹根牢牢紮在地裏，鋼筋混凝土裏面加入纖維有效控制微裂紋都是相似的現象。
從能量轉化的角度看，砸冰的時候冰吸收了外界給它的能量，吸收這個能量的辦法無外乎兩種：變形以轉化為彈性勢能；冰內部的微裂紋擴展（或形成新的裂紋），形成新的表面以轉化為表面能。冰主要是通過第二種方式吸收能量，當裂紋足夠大，冰就碎了。而棉花的加入使得裂紋的形成與擴展之前需要先拉伸棉花纖維，而棉花纖維是具有一定彈性的，這部分能量就儲存在棉花纖維的形變裏面了，導致砸碎含有棉花的冰需要更多的能量，這就表現為含有棉花的冰不容易砸碎。
By Aaron Chen & 重光
2
Q
醫院用的MRI是測量氫原子的共振信號，人體細胞內，除了富含氫原子，碳原子也很多，很多化合物都是以碳為骨架，為什麼沒有以測量碳原子信號的磁共振呢？謝謝！
by wx360
A
核磁共振是指磁矩（核自旋量子數）不為零，在外磁場下受到相應頻率的電磁波作用時，發生塞曼劈裂，從而在其磁能級之間發生的共振躍遷現象。而原子序數和質量數均為偶數的原子核必定其核自旋量子數為零，因此不是所有原子核都可以用於核磁共振的。對於我們常見的基態氫原子核，原子序數和質量數都是1，因此自旋量子數為1/2，而人體中基態的碳原子核，也就是常説的碳12，其對應自旋量子數為0，因此無法進行核磁共振。需要注意的是，其同位素碳13可以用於核磁共振，不過其丰度太低且靈敏度比H小，在有機結構分析中應用較多。
By Aaron Chen
3
Q
想知道唱片機是怎麼工作的?
by 朵朵
A
唱片機，又名留聲機。是一種放音裝置，其聲音儲存在以聲學方法在唱片圓盤平面上刻出的弧形刻槽內，唱片置於轉枱上，在唱針之下旋轉，當唱針沿着溝槽移動, 針尖隨溝槽波動而輕微地振動。這個振動通過機械裝置傳送一個膜而將其放大並散發在空氣中。當唱盤轉動速度與錄音時一樣, 聲音就被準確地恢復出來。如圖所示：
By 勿用
4
Q
火是什麼，火的顏色由什麼決定?
by 9
A
火，燬也。南方之行，炎而上。象形。凡火之屬皆從火。呼果切。從火字的演變就不難看出，火的本義是指物體燃燒時產生的光焰。
但在生活或影視作品中我們又會常常看懂各種顏色的火焰，火焰的顏色是有什麼決定的呢？
我們分析一下燃燒過程，燃燒是一個劇烈的氧化還原反應，在此過程中放出大量的熱。根據生活經驗我們知道火焰的內焰和外焰的温度和顏色是不一樣的，同時我們還學過焰色反應，不同金屬單質的燃燒會發出不同顏色的光。因此我們結合這兩個方面來討論火焰顏色與温度以及物質種類的關係及其隱含的物理。
首先，從酒精燈火焰的內外焰温度和焰色不同我們發現火焰顏色其實是與温度有關的，他們之間的關係是怎樣的呢？這就是黑體輻射——任何物體都具有不斷輻射、吸收和反射電磁波的性質，輻射出電磁波的波長具有一定的譜分佈，這個分佈只與物質本身和温度有關，如果忽略物質本身的影響，這就是理想的黑體輻射模型。在黑體輻射模型中，隨着温度的升高，黑體呈現從紅-橙紅-黃-黃白-白-藍白的漸變過程，温度越高，紅色成分越少，藍色成分越多。下圖分別展示了黑體輻射和實際生活中顏色與温度的對應關係：
黑體輻射不同温度與顏色對應關係
火焰不同温度與顏色對應關係
其次，對於某些特殊的物質而言，在燃燒時，會吸收某些特定波長的電磁波，使得其外層電子被激發到高能級，電子在向低能級躍遷的過程中，發出某些特定波長的光，如果該波長恰好處於可見波段，就會呈現出一些特定的顏色，即焰色反應。比如銅的焰色是綠色，鉀的焰色是紫色，鈉的焰色是黃色等。另外分子的不同軌道之間的能級躍遷也會導致發光，煤氣灶就是一個典型的例子。
如此看來，火焰的焰色首先與燃燒時火焰的温度有關，其次與燃燒的物質種類有關。參考：各種物質燃燒為什麼會產生不同顏色的火焰？
By 勿用
5
Q
為什麼色光三原色和顏料三原色不同？
by v
A
首先需要明確一點：進入到肉眼的色光決定了我們看到的是什麼顏色。
先看色光三原色，色光三原色對應RGB模式，主要應用在顯示器領域。下圖中，背景是黑色的，代表沒有光線，紅（R）綠（G）藍（B）是三原色，然後紅光和綠光疊加是黃光，進入肉眼，我們就看到了黃色，紅綠藍三種色光疊加就是白光，其他的類似。
圖片來源：Wikipedia
下面着重講一下顏料三原色，顏料三原色對應CMYK模式，主要應用於印刷行業。CMYK是青色（Cyan）、洋紅色（Magenta）、黃色（Yellow）、黑色（blacK）字母的縮寫。CMYK不同於RGB，RGB是加色法，CMYK是減色法。白光照射在顏料上，部分色光被吸收，部分色光被反射，我們看到的顏色其實是反射進肉眼的色光的顏色。下圖中，背景是白的，代表白光照射，假如白光照射到某一顏料上，如果紅光被顏料吸收了，其餘的光（綠光+藍光）被反射了出來，反射光相比於入射光缺少了紅光而會顯青色，那麼這種顏料就是青色的顏料，看上面的色光三原色圖也可以發現，藍+綠不就是青麼？再比如，黃色顏料吸收藍光，反射紅光和綠光，青色顏料吸收紅光，反射綠光和藍光，倘若這兩種顏料混在一起，那就是吸收藍光和紅光，反射綠光，調出的顏料就是綠色的了。
圖片來源：Wikipedia
另外不知你發現了一個規律沒有，顏料三原色是色光三原色的兩兩混合，而色光三原色又是顏料三原色的兩兩混合。
By 重光
6
Q
相同的滴管滴不同的水溶液，水溶液滴落時的液滴大小相同麼？
by 彭朝明
A
不一樣的，液滴的大小與表面張力有關。
在密度相差不大的前提下，表面張力越大的液體，在滴管下面懸掛液體的體積也越大（可以形象地理解成能兜住更多液體）。就拿純水、肥皂水、飽和食鹽水舉例子吧，表面張力：飽和食鹽水>純水>肥皂水，那麼液滴大小：飽和食鹽水>純水>肥皂水。
至於為什麼飽和食鹽水的表面張力要大於肥皂水，那就與表面問題有關了。先不加證明地給出一個結論：表面張力就是表面吉布斯自由能，而能量越低越穩定，因此表面張力小更穩定。肥皂水是硬脂酸鹽的水溶液，硬脂酸的表面張力比水低，因此硬脂酸會被大量吸附到水與空氣的表面，以降低表面張力（這種溶質富集於界面層的叫正吸附）；而氯化鈉的表面張力大於純水，因此體相中氯化鈉的含量比表面多（這種溶質富集於體相的叫負吸附），但是表面還是含有一點氯化鈉的，還是增大了表面張力。
By 重光
7
Q
冰的密度為什麼比水小？
by 白面書生
A
首先我們來猜一下你為什麼有這個疑問，在我們日常生活中接觸的物體裏邊，固體比如説各種金屬啦、混凝土啦都比常見的液體比如水的密度大。當然也有很多固體比如木頭、泡沫塑料密度比水小那是因為他們沒有那麼緻密。所以給我們的一個普遍的印象就是好像固體的密度比液體大，再加上根據我們的日常經驗都是熱脹冷縮，所以水結冰之後密度變小是一件很反常的事情。當然事實上也確實是一件很反常的事情，因為水確實是少數熔化之後體積反而減小的物質。
下面解釋一下為什麼，主要是因為水分子的極性很強，其中的氧原子會與臨近的水分子形成氫鍵。液態水中的水分子指向很混亂，當温度降低以後，由於分子動能無法克服水分子之間的吸引力，會形成下面這種比較有序的接近六面體結構（當然在不同條件下，冰有很多種結構）。
而這種結構的堆積方式比混亂的水分子之間隨意的堆積反而佔據更多的空間（對於很多各向同性的金屬原子則相反）。想象一個不規則的帶有磁極的積木，就不難想象它的整齊排列的結構會比隨意堆積佔的空間要大一些。
這個現象對生命的產生與演化有着重要意義，冰密度比水小使得水面先結冰從而使得下面的水不會結冰，使得生物得以生存。如果冰的密度比水大的話，那淺水裏結冰就是從水底到水面，那麼很有可能水體會全部凍住。現有的理論認為生命起源於海洋，如果冰的密度比水大，那麼生命的產生條件或許會更加苛刻。
By 望江樓
8
Q
月球背面為何如此神秘？
by 匿名
A
1. 潮汐鎖定
首先要説明，月球作為一個球體，確實竟然存在“正反面”之分，因為月球時刻保持幾乎以一個方向面向地球，這是由於月球的自轉週期和公轉週期剛好相等。有的讀者已經發現了，世界上還能有這麼巧的事？月球肯定是外星人或者史前文明造的！
其實這不是一種巧合，而是一種必然。
在潮汐力的作用下，經過足夠長的時間，就會形成這種衞星的自轉週期與公轉週期吻合，始終以同一面面向主星的現象，稱之為“潮汐鎖定”。
2. 月球背面
人類第一次見到月球背面是通過前蘇聯的月球3號太空船在1959年拍攝的影像，而人類直到1968年的阿波羅8號任務環繞月球時，才直接用眼睛看見月球背面。阿波羅8號宇航員威廉·安德斯説：“背面看起來像我在孩提時玩過一段時間的沙堆，它們全都被翻起來，沒有邊界，只是一些碰撞痕和坑洞。” 這是因為月球背面難以被地球保護，受到了更多隕石攻擊。
Fig.1 月球正背面圖（NASA）
目前認為，月球背面保存了較正面而言更古老的岩石，背面的月殼比正面要厚，月球上各種元素、礦物的分佈也存在正反面不均勻的傾向性。事實上月球不同區域有不同特點和性質，只有更充分的加以瞭解，提高對不同區域的認識，才能更好地研究整體和歷史。
月球背面由於與地球之間相隔了一個月球，很好地屏蔽了了來自地球的無線電，這導致在月球背面的飛行器將失去地球指揮中心的聯繫與控制，故而從前人類歷次登月行動都將目的地都選擇在了月球正面。
然而來自地球的電磁信號在射電天文學家眼中卻是一種噪聲，屏蔽了這些噪聲的月球背面是一個天然的射電天文觀測聖地，早有科學家設想在月球背面設置射電望遠鏡，而本次嫦娥四號的探測器也將攜帶低頻射電頻譜儀，去月球背面聆聽來自宇宙深處的“聲音”。
3. 嫦娥四號
本來是嫦娥三號備份星的嫦娥四號經過改進，於昨天10點26分成功着陸，不過此次的着陸地點選擇在了月球背面的南極-艾特肯盆地，被公認為是月球上最大、最古老和最深的撞擊盆地，有着月球上最低高度的和最薄的地殼，在撞擊中可能有來自月幔的物質被拋射出，探測這裏將可能對瞭解月球內部有所幫助。
Fig.2 “鵲橋”號軌道示意圖（中央電視台）
Fig.3 根據日本“輝夜姬”號探測器數據繪製的地形圖，紅色代表高地區、藍色為低地區，紫圈和灰圈分別為盆地的內、外壁範圍。（Garrick-Bethell and Zuber, 2009, doi:10.1016/j.icarus.2009.05.032）
月球背面降落難度大，風險高。
月球背面地形崎嶇複雜，嫦娥二號獲取的高分辨率月面地形圖能夠幫助我們選擇一個相對平坦安全的着陸區域。這次嫦娥四號任務成功，是世界首次在月球背面着陸，同時也是首次在月球的高緯度極地着陸。
由於在月球背面與地球無法進行直接無線電通訊，2018年5月，嫦娥四號中繼衞星“鵲橋”號已一馬當先抵達環繞地月拉格朗日L2點的軌道，為嫦娥四號架起前哨站，降落後續的遙科學、遙操作都是通過中繼星實施。這也是人類首次在地月L2點實現對地對月中繼通信。
這一切都使得嫦娥四號比嫦娥三號任務更為複雜，所以嫦娥四號任務除了科學價值，其技術牽引價值也不容小覷。
By 起個筆名真難
