到底是誰先開的槍？| No.199_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2020-03-27 22:31
原創：中科院物理所
一輛0.6倍光速運動的列車上發生了槍戰
在一節長十米的車廂內
A躺在車廂後部，B倒在車廂前部
站台上的人作證：槍戰是由A挑起的。
但是，車上的乘客卻提供了相反的情況
他們説：“是B先開槍，過了10毫微秒，A才動手。”
那麼，問題來了——
為什麼以車站為參考系就是A先開槍？
以列車為參考系就是B先開槍？
到底是誰先開的槍呢？
1
Q
飛機窗户為什麼是橢圓的？
by 紹初191204
A
其實最初飛機的窗户並不是橢圓形的，而是和我們日常生活中看到的一樣，是矩形的。但是隨着技術的不斷提高，飛機不斷普及，為了減少飛行阻力、降低油耗以及避免低壓層的氣流，飛機飛得越來越高，對此，飛機也做出了相應的調整，比如對飛機內部進行密封加壓，好讓旅客在內部能夠生存，以及將機身改為圓柱體，因為這樣能承受較大的內部壓力。但這反過來又會製造一個內部空氣和外界空氣之間的壓力差。隨着飛機飛得越高，這個壓力差就會越大，因此，飛機的機身會出現輕微的擴張，壓力會使得機身材料發生形變。起初在進行這些調整時，工程師們並沒有意識到窗户的形狀有何不妥，依舊採用矩形窗户，直到幾起墜機事故的發生，飛機窗户的形狀問題才被重視。由於機艙內壓力很大，當窗户形狀為矩形的時候，在四個角上會發生應力集中，容易在內部產生裂紋，而飛機在飛行過程中承受着各種載荷，這都對機身的材料造成一定程度上的破壞，這些載荷和內部的裂紋共同作用下就會導致飛機的機身材料斷裂，造成事故。雖然橢圓形的窗户也會造成一定程度的應力不平均，但是相比矩形來説已經好很多了。所以飛機的窗户設計成橢圓形不僅僅是為了美觀，更重要的是可以減弱材料應力集中程度，從而保證飛機的飛行壽命及乘客的人身安全。
By 懶懶的下午三點半
2
Q
為什麼跳跳糖遇水才會跳？
by 十億個為什麼
A
這其實都與跳跳糖的生產工藝有關。跳跳糖所使用的配料與那些普通的糖果並沒有區別，都是將製糖的各種原料混合加熱，做成濃郁的熱糖漿。但是不同的是，在製作跳跳糖時加入了高壓二氧化碳，二氧化碳氣體會在糖裏形成細小的高壓氣泡。在糖塊冷卻之後釋放壓力，糖塊碎裂，但碎片中仍含有高壓氣泡，通過放大鏡你就可以看到它們。當跳跳糖接觸到舌頭時（或遇到水時），唾液開始溶解上面的糖，封裝小氣泡的小空間外壁就變得脆弱，這時候裏面的二氧化碳就跑了出來，推動跳跳糖進一步開裂和跳起來，在我們的嘴裏形成微小的爆破，發出噼裏啪啦的聲音，我們就會感覺跳跳糖像個小精靈在你的舌頭上跳舞啦。
By 懶懶的下午三點半
3
Q
每次蹲完馬桶，兩腿都發麻，麻的感覺是怎麼產生的呢?
by 匿名
A
麻並不是一種感覺，而是一種感覺異常。用專業的話來説就是：下肢血液循環不暢通造成的！
主要原因有二：
1. 由於蹲坐時血液流通不好，造成下肢缺血缺氧，引起麻木，而此時由於下蹲使下肢處於緊張狀態，神經受到壓迫，對麻木不容易察覺，站立後神經恢復敏感從而感知麻木。
2. 蹲坐時下肢摺疊，阻礙靜脈回血，而動脈血壓較高，導致靜脈處於高壓環境之下。這種對神經的刺激時間長了會產生一種滯留現象。所謂的滯留現象就是指即便我們去除刺激因素，神經一下子反應不過來，仍然按照高壓情況工作，甚至產生反向的過激反應，這樣也會麻木。
什麼？説人話？好吧，用通俗易懂的話語來説就是你坐的時間太長了，上廁所時姿勢也不對，所以導致你腿麻！最後提醒一句：蹲坑不玩手機！
By 懶懶的下午三點半
4
Q
為什麼食品包裝袋封口設計成鋸齒狀就容易將其撕開？
by 匿名
A
看到這個問題，我默默地撕開了手中的薯片包裝，並開始思考如何回答。明明是同樣的材質，只是換了種形狀就能從不易撕拉變成稍一用力就能打開了嗎？不用懷疑，這還真就是形狀的功勞，不僅僅是鋸齒狀，還有一些藥品或刀具的包裝會做成淺一點且弧度較大的半圓形撕口，這種撕口撕起來會更費勁一些，主要是為了防止小朋友誤撕。包裝上鋸齒形或半圓形的設計主要是利用材料形狀尺寸急劇變化導致局部應力（物體由於外因而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力）增大的現象，也就是應力集中，使得包裝袋在應力集中的部分更容易被撕開。應力集中使得該區域的應力大於平均應力，也容易在材料內部產生裂紋等缺陷，與應力均勻的部分相比，應力集中區域在受到外力作用時也更不穩定，所以在同樣的外力條件下更容易發生斷裂等破壞性現象。形狀的突變帶來的應力集中使得我們可以輕易“手撕”綠茶——味的薯片
。當然，應力集中可以使我們輕易撕開包裝袋，但是對於一些工程材料，比如建築用的鋼材等，在生產應用中還是要儘量避免應力集中現象的存在。
By 懶懶的下午三點半
5
Q
為什麼刷完牙之後牙膏的小泡沫就向水面四面散開？
by 小小米
A
這是因為牙膏裏有一種用來起泡的表面活性劑，一般來講是十二醇硫酸鈉（十二烷基硫酸鈉、月桂醇硫酸酯鈉）、月桂酰肌氨酸鈉等。表面活性劑能使溶液體系的界面狀態發生明顯變化，表現為液體的表面張力降低。在水面上加入表面活性劑，局部的水錶面張力就會降低，受到旁邊乾淨水的表面張力的拉拽，造成了局部水的流動，就像下面這個塑料片小船一樣：
至於為什麼表面活性劑會使表面張力降低，我們就要看一看它的分子結構：表面活性劑分子一般是有一個親水頭部（親水基）和一個疏水尾部（親油基）。
顧名思義，親水頭部喜歡和水結合在一起，而疏水尾部不喜歡，表面活性劑分散在水面上就像下面這樣：
親水頭部和水結合，而疏水尾部被排斥向另外一方，暴露在空氣中，這就阻礙了表面的水分子之間手拉手，導致了表面張力的下降，使得牙膏小泡沫周圍的水向四面散開，這樣就能理解表面浮着的小泡沫向水面四周跑辣。
By 柳迪瀟
6
Q
為什麼打哈欠時會有聽力被削弱的感覺？
by 匿名
A
本人經過連續打了三十分鐘的哈欠之後（沒有），發現要理解這個問題，需要理解聲音的本質和耳朵運作的機制。讓我們首先來看一看耳朵的結構：
日常生活中的聲音是一種縱波，具體來説，表現在空間中的一點上，就可以造成如密度、氣壓等性質的週期性變化。而人之所以能聽見聲音，就是由於鼓膜周圍的“聲音”導致氣壓變化，進而使得鼓膜振動，感受到聲音。從耳朵結構可以看出，鼓室似乎是一個全封閉的結構……等等，似乎有一個小小的“密道”——後方的咽鼓管。這個管道平時是關閉的，當吞嚥、打哈欠、唱歌或用力擤鼻涕時才打開。而這個小小的咽鼓管有着調節鼓室內氣壓的巨大作用。想必多數人都有坐飛機的經歷，對所謂“耳壓“有過感受。在飛機降落時，機艙內氣壓增大，但鼓室內的氣壓仍處在較低水平，因此鼓膜凹陷，十分難受。而此時如果打哈欠或者吞嚥（一般是嚼口香糖等），就可以恢復正常。而以上也就説明了為什麼打哈欠時聽力會削弱。正常情況下，咽鼓管關閉，鼓膜只受到通過外耳道進入的聲音的“壓迫”。而打哈欠時，咽鼓管打開，從嘴或者鼻孔（害怕.jpg）中進入的聲波通過咽鼓管進入鼓室，導致鼓膜腹背受敵左右為難，兩邊氣壓變化相抵消，所以鼓膜振動減弱，感覺上聽力就變弱了。但由於咽鼓管本身較細，且那條路更加“曲折”，因此不能完全抵消（實際只能抵消很小部分），所以也僅僅是減弱而已。在此基礎之上，還可以有更多的推論。一是由於這種現象需要外界有聲音，因此如果是戴耳機，理論上就不會有這樣的現象。第二是如果切斷通過外耳道的聲音，打哈欠甚至會增強聽力。可以試試捂緊耳朵然後打哈欠。通過這些簡單的實驗，也可以驗證結論的正確性或是發現新的原因，這也是科學探索的過程！
By Colliding Paul
7
Q
特斯拉電圈真的能演奏音樂嗎？
by 匿名
A
當然可以！眾所周知，特斯拉線圈是一種猛男必會的樂器！而且演奏效果極其酷炫
傳統特斯拉線圈結構簡圖
通過對傳統特斯拉線圈的改造，人們製作出固態特斯拉線圈。使用半導體代替打火隙，使其具有更高的靈活性，可以方便地調製甚至播放音樂，其中效果最好的就屬雙諧振固態特斯拉線圈。特斯拉線圈每次放電都會造成空氣的振動，當放電的頻率改變時振動的頻率也變了，由此產生不同的音調。普通的火花隙特斯拉線圈是做不到的，一般要用固態特斯拉線圈，控制特斯拉線圈的其中一個裝置叫做滅弧器，滅弧器的工作是把供給線圈的頻率給固定住，這樣一來，基於驅動線圈的頻率的不同，我們就能聽到線圈發出的聲音了，把音樂信號輸入滅弧器的話，滅弧器就會把音樂的頻率傳給線圈，我們就能聽到音樂了，這可是真·電音。如果不帶滅弧器，空轉線圈的話，一般我們只能聽到很低的噪聲。特斯拉線圈的諧振頻率是遠超出人的聽覺範圍的，大約在十萬到百萬赫茲的數量級，要想聽到線圈的聲音，只有改變其輸出頻率，或者用一個固定的頻率干擾，這就是滅弧器在整個電路中的作用。在《魔法師的學徒》電影中男主用特斯拉線圈製作音樂給女主聽，並且打動了女主的心，那麼在座的各位猛男們你們學會了嗎？（線圈有風險，撩妹需謹慎）
By 懶懶的下午三點半
8
Q
一節長10米的列車，A在車後部，B在車前部。當列車以0.6c的高速度通過一個站台的時候，突然站台上的人作證，這場槍戰是由A挑起的。但是，車上的乘客卻提供相反的情況，他們説，是B先開槍，過了10毫微妙，A才動手。為什麼以車站為參考系就是A先開槍？以列車為參考系就是B先開槍？
by 不懂
A
這個問題十分有趣，這裏看起來因果律失效了，但實際上並沒有！事實上，在一個參考系下，兩個事件的可能的因果關係並不僅僅由發生的先後來判斷，而且要看他們之間的距離，這是因為如果兩個事件，甲地發生的M是乙地發生的N的原因，那麼在乙地發生了N之前，M事件發生這個信息一定傳播到了乙地，而在狹義相對論裏，信息的傳播速度無法超過光速。舉個最簡單的例子，我的宇航員朋友在距離地球一光年的地方玩耍，他在地球時間2020年3月18號給我發電報讓我幫他喂貓，而我將會在地球時間2021年3月18號接到這個消息，所以我一定會在這之後才給他喂貓，如果我在這個日期之前餵了他的貓，我喂貓這個動作就一定不是因為他給我發了電報。（沒錯就是我單純想擼他的貓貓。喵~）開始答題：假設這個問題裏的所有人都是超人，沒有視覺暫留和反應時間；我們作為車上的上帝，可以無視信息傳播速度，在這個事件發生的一瞬間就知道他發生的時間和地點。假設B開槍導致了A開槍，我們來計算一下這個信息的傳播速度，是10的10次方米每秒，這是光速的三十倍還多！這是不可能的，也就意味着A在開槍的時候看到的B還沒有開槍。不用提站台上的人看到這場刺激的比拼極限手速的槍戰是什麼樣子，光是火車上的人看到的就不一樣！簡單算一下：緊貼着A的小藍會在B開槍33毫微秒後看到B開槍，而A在10毫微秒的時候就已經開槍了。車上的小藍就以為A先開了槍，你説奇怪不奇怪？我們再來當一回站台上的上帝，我們規定B開槍的時間是t=0，他在開槍時的位置是x=0，此時A的位置是+10m，站台相對列車的速度v=0.6c，由洛倫茲變換公式：
這就意味着在站台這個參考系下，是A先開了槍。
多説一點，在相對論的閔式空間裏，變換參考系相當於把時間和空間座標軸一起向象限平分線“擠一擠”，就像下圖裏x-t擠成x’-t’的樣子，注意：這裏x-t和x’-t’是兩個獨立的參考系，分別對應火車系和站台系！我們不妨把原點定為B開槍這個事件，看一下火車上和站台上的時空圖像：
這裏Q，P分別是A開槍這個事件在車參考系下的時間和地點，Q’，P’分別是A開槍這個事件在站台參考系下的時間和地點。可以清晰地看出站台系下是A先開的槍，而火車系正相反。
明白了信息傳播速度的極限之後，就不難理解狹義相對論裏改變參考系不會改變因果律的原理辣！
By 柳迪瀟
