激光是受激辐射光放大的简称那么除了可见光其他波段的电磁波是不是也能产生激光呢？

Q1、分贝的大小是怎么定义的？

by AAA

答:

分贝的应用领域很多，在不同领域里的定义也不完全一样。当然，不同定义背后的逻辑是类似的，都是把一个物理量与基准值的比值取对数。

＝

＝

＝

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，对应的声强级就是 120 分贝。研究发现人耳对声强的敏感度大约成对数关系 —— 声强每高十倍，人耳感受到的声音大一倍，因此声强级使用对数。而前面的系数 10，则是为了使用方便 —— 声强每高十倍，分贝数加十。

除了声强级，我们还可以用声压级来定义声音响度，声压级的单位也是分贝。它是以声压做物理量来求比值的，前面的系数也相应变成了 20。这是分贝的另一种定义，这两种定义并行，但似乎前一种更常用。

by 藏痴

Q2、为什么滚烫的铁锅遇冷水不炸裂？

by 千厘

答:

钢铁器件的开裂是由冷却过程中内应力引起的，这里的内应力可分为热应力和组织应力两种。热应力是钢铁器件在冷却过程中，内外层冷却速度的不同造成温度不同，以至于热胀冷缩的程度不同引起的。组织应力是器件在冷却过程中，由于内部组织转变时间不同而引起的。两种应力相互叠加，当应力达到某一临界值，就会产生形变，出现裂纹。

在这里以低碳铁材质铁锅为例，在生活场景中，普通家用燃气灶烧铁锅中温度在 200-300℃之间，根据铁-碳合金相图可知，钢在这个温度区间不发生组织改变，所以产生组织应力可以忽略。再者低碳钢的导热系数较大，与冷却介质水进行热交换的速度快，从而内外层温差小，热胀冷缩引起的热应力达不到足以发生裂开的临界值，故滚烫的铁锅遇冷水不炸裂。

by 深浅

Q3、事情是这样的，我用手机录像，想录下静电起电机教具的静电放电过程，然后我发现，每次肉眼可见的电弧，在手机里并不是每次都能看见，但每一次电弧击穿空气的“噼啪”声，每一次都录进去了。请问为什么有些电弧没能被手机拍进去呢？

by 深藏不露

答:

你好，这种情况大概是手机拍摄帧率不足造成的，可以通过调高摄像帧率的方式来解决。

我们知道，手机摄像是通过 CMOS 或 CCD 等传感器来采集光信号，并将其转换为数字信号来成像的。一般来说单位时间内采集到的图像张数越多，放映出来的录像就越流畅，每秒拍摄的照片数被称为帧率。目前大部分电影都是采用 24 帧率的设备进行拍摄和放映的，而手机设备在录像时的帧率一般在 30 左右，即每秒拍摄 30 张照片，每张照片的拍摄间隔约为 0.03s。当电弧的持续时间小于 0.03s 时，便可能在两帧照片的中间被略过，从而无法被拍摄下来。

而手机麦克风的录音的采样频率相比摄像的采样频率便要高了许多，一般在 20000Hz 到 50000Hz 之间，两次采样的间隔大约为 0.00002s 到 0.00005s。因此，电弧声基本是可以被录音采样到的。要想采集到电弧的图像，建议把手机摄像的帧率调高一点，或者使用更加专业的高帧率摄影设备。

by 单身男青年

Q4、为什么说白矮星是恒星的尸体？

by 匿名

答:

白矮星、中子星确实可以看作是较大质量恒星的尸体，是恒星演化的最终阶段。

这事啊，得从恒星开始讲。众所周知啊，引力是宇宙中独一无二的主角，各种天体都自愿走上对抗引力的道路，恒星就是这么来的。大质量天体在引力作用下收缩，这个过程中引力势能转化为热能，天体中心温度升高，点燃氢核聚变，释放能量，与引力的收缩达成平衡，这就是恒星。但是，氢，是有限的，就像太阳，还有区区 50 亿年，这个败家子就要把氢烧完了。那时候，如果恒星中心处的温度不足以点燃氦的聚变，那引力将再一次取得上风，迫使恒星继续收缩，直至点燃氦核，这之后，氦聚变释放出的能量将加剧外围氢的燃烧，又使得恒星进一步膨胀并冷却，成为红巨星。

氦也用完后，天体就会剩下一个碳或氧组成的核心，如果恒星先天不足，质量太小，剩下的这个核心的引力势能不足以点燃碳或氧的聚变，那他的生命就走到了尽头，成为一颗白矮星。这时的天体会在引力的作用下继续收缩，密度不断变大，直至另一种力量成长到足以对抗引力，这股力量就是电子简并压，它来自于天体核心处的电离态的电子。简并压只有在高密度下才足够强大，因此白矮星密度很高。碳-氧中心球质量小于 1.4 倍太阳质量的天体，死亡后就会成为白矮星，太阳显然也在其列。

by 霜白

Q5、中子星是什么？

by 匿名

答:

接上题，但如果恒星质量更大一些，最终的归宿也有可能是中子星。

更大的质量意味着其可以进一步点燃碳的聚变反应，最终遗留下来的中心球，主要是铁，这是最稳定的原子核了，便不可能再聚变了，这时，还是在引力作用下，中心迅速收缩，产生的高温高压会使光子具有非常高的能量，这些光子足以将原子核毁灭，电子与质子结合生成中子并释放中微子，最终，整个中心形成由中子组成的核心，靠更强大的中子简并压遏制住引力坍缩，这就是中子星。其密度比白矮星还高，质量上限不太确定，只能说是约为 2 倍太阳质量，或者说是 1.5-3 倍太阳质量。中子星的体积一般不大，典型的中子星半径在 10km 数量级，还没有海淀区大，但质量就不可同日而语了，中子星还拥有超高的磁场、超高速的旋转等奇特性质，一直是天文学的研究重点。

质量再大的天体，最终会形成黑洞，且看下题分解，前方，高能预警。

ps:这其实是一位读者的一个问题，但答起来篇幅实在过长，故拆成 4 道题，也顺便加点工作量，四道题的参考文献都是下面这个，就不重复写了。

ps:把那几个说我们不讲物理的抓回来！这回这个算物理吧。

参考资料:

• 梁灿彬.从零学相对论 (M). 高等教育出版社，2013.

by 霜白

Q6、黑洞是天体吗？

by 匿名

答:

如果恒星质量更大，在坍缩过程中没能抛弃足够的质量形成稳定的白矮星或中子星，那最后将形成黑洞。

黑洞是广义相对论预言的一种非常奇特的天体，拥有极高的密度，引力强到连光也无法逃脱，因此看起来漆黑，仿佛宇宙在那里破了个洞，所以黑洞这个名字也很贴切了。当然，我们目前已经拥有了一些观测证据，黑洞是存在的已经被绝大多数人接受。

在爱因斯坦提出广义相对论之后，史瓦西首先求得了一个静态的球对称解，即真空的史瓦西线元，这个解分别在 r=0 与 r=2M 处具有奇异性，后来我们证明，前者是真奇异性，后者是坐标奇异性，于是我们进行延拓。下图就是史瓦西时空的克鲁斯科尔最大延拓。

这张图很重要，下题还会用到，其中蕴含的信息也很丰富，我们挑用得到的讲。

A 区的 r 满足 2M＜r＜∞，正是史瓦西线元描述的时空，也是我们延拓的出发区。我们就在这一区域内。

在我们进行延拓后，我们正式证明了在 r=2M 处，不具备物理的奇异性，这就意味着发生在 A 区的事件可以简单地穿过 N 线进入 B 区。反之，如果这里具有奇异性，这样的穿越可能有些未知的物理过程。

前面说到，N 线是一条径向的类光线，所以，A 区的所有内向的、指向未来的类时或类光曲线都将穿过 N 线，进入 B 区，最终落入奇点(r=0 处)，反之，则不可能，N 线，是一条单向“膜”，事实上，这就是黑洞的视界。B 区就是黑洞。

由伯克霍夫定理，爱因斯坦方程的球对称解必为史瓦西线元，所以球对称坍缩的天体不可能进入 W 区或 A' 区，如果天体质量够大，坍缩一直持续到 r=2M，那就再也没有挽回的余地了，所有天体在越过 N 线后只会不停坍缩，直至被压缩到奇点 r=0 处。

这张图就是克鲁斯科尔坐标系中恒星的坍缩。

这张图对时间做了一次变换，可以更形象地向我们揭示了视界的奇特性质，可以看到，视界之外的物体如果是外向的，将不会有什么影响，但如果在视界之内，将永远无法摆脱，最终只能归于奇点。

根据延拓，还有一个虫洞模型。前方，核能预警！

by 霜白

Q7、虫洞是什么情况呢？

by 匿名

答:

虫洞也是根据广义相对论提出的一种神奇的模型，不过同上题的白洞一样，目前没有天文观测证据支撑。很多人觉得我们可以通过虫洞实现时间旅行，但这种想法可能有些简陋。

我们回顾一下上题中的史瓦西时空最大延拓图，现在我们取 T=0 时，画出它的嵌入图，应该长下面这个样子:

这就是史瓦西时空最大延拓在 T=0 时的嵌入图，嵌入图上半部分为 X 轴正半轴，下半部分为 X 轴负半轴，因此连接处 r=2M，我们称之为喉。不难发现，如果我们在上边选定一个圆环，则下边必有一个 r 相同的球面，二者之间的“线轴”就被称为虫洞，这两个球面就是虫洞的洞口。虫洞洞口的选取具有任意性。由上题我们知道，上下半区分别处于 A 区与 A' 区，在远处，即 r 很大的地方，时空是渐进平直的，同时这两个区域无因果关系。

所以我们可以做这样一个设想，有没有这样一种可能，这两个无因果关系时空在很远处是连接在一起的呢？

令人振奋的是，相对论不禁止这种情况发生，于是，我们有了下面的图:

这就是史瓦西虫洞为我们提供的捷径。

但很不幸，史瓦西虫洞是不可穿越的。

还是要看史瓦西时空的最大延拓，我们这里的延拓并非静态的，其中 B 区和 W 区是动态的，所以，史瓦西虫洞并不是一直张开的，按时间顺序来看，虫洞先是完全不张开，这时进入洞口会直接坠入奇点，后来张开，并在 T=0 时张开至最大，而后又逐渐变小，最终完全关闭。更沮丧的是，我们永远无法在虫洞张开的时间内穿越虫洞，因为从 A 区出发的任一类时曲线都只能进入 B 区，永远无法进入 A' 区。

可如果我就是想要能穿越的虫洞呢，那我们就必须要放弃真空条件了，甚至我们需要奇异物质来撑开虫洞，而奇异物质是不被经典物理允许的，但根据量子场论，适当弯曲时空区域中被扭曲的真空涨落或许正是这种奇异物质，不过这些想法尚没有肯定的结论。

by 霜白

Q8、理论上来说所有波段的电磁波都能生成激光吗?

by 匿名

答:

激光是一种具有高能量，高相干度的电磁波束。相干性是激光最重要的特点，这要求在光场中相距远大于波长的两点，仍保有稳定的相位差。原则上，任意波长的电磁波都能形成激光，但实际上，部分波长激光的产生有比较大的困难。

从上面这三个要素，我们就能分析实现特定波长激光的难易。对于微波频率，可以使用天线，谐振电路等产生，且由于波长较长，受微观热运动干扰小，容易实现较好的相干性。对于太赫兹波段，波长在微米量级，难点在于缺乏合适的增益介质，而太赫兹又恰好是很多材料中集体运动的特征频率，因此开发高质量的太赫兹光源是目前的一个重要方向。

在红外、可见光、近紫外波段，通常使用电子在原子能级间的跃迁作为增益介质的振荡原理，并且可以通过倍频、差频等非线性光学效应调整激光的波长。这也是我们最熟悉的激光器的工作波段。尽管如此，在这一波段依然存在诸多限制因素，例如，激光的增益需要能级的布居反转，这就对增益介质的能级结构提出了要求。另外，自聚焦等效应会对激光器本身造成损害，限制了大部分激光器的输出功率。

从甚紫外到软 X 射线波段，对应的是原子中靠近原子核的芯电子的电离能。因此，软 X 射线激光器的增益介质也通常选为高度电离的高温高密度等离子体。除了增益介质的特殊属性，这一波段电磁波还具有很强的穿透性，因此需要利用多层膜的布拉格衍射构造反射镜以及相应的光腔结构。随着波长进一步减小，构建共振结构和寻找增益介质都变得十分困难。

，因此，只要调整电子束的能量，就能获得从微波到硬 X 射线各波段的高相干度辐射。

by 乐在心中