打破腦洞的奇妙“物理題”

文/姑蘇

人類在這無窮無盡的想象中建立了現(xiàn)代文明，在不斷提出設問“假如”中進步。然而這些“如果”“假如”也并不都是一些有用的東西，因為想象力本就是天馬行空的。下面就是一些看似沒用的問題，科學研究者們對此進行了認真解答，你的腦洞被打破了嗎？

一

童話故事中的灰姑娘穿著水晶鞋逃跑，真的可以實現(xiàn)嗎？

假定灰姑娘的水晶鞋材質是常用的鈉鈣玻璃。如果灰姑娘穿著水晶鞋保持不動，高跟鞋的跟不論多高都沒問題。如果她穿著水晶鞋正常走路，要想讓水晶鞋不會因為受力過大而折斷的話，水晶鞋的跟高只 能 在3.44cm～13.8cm 之 間。如果她想穿著水晶鞋跑步，要想水晶鞋不碎，這雙鞋的跟高最高只能是1.15cm～4.61cm 之間，否則跑兩步就會斷開。

二

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？

答案是肯定的。男子背越式跳高世界最高紀錄是2.45 米，運動員在有助跑的情況下實際重心升高不到2 米。當一個人在自由落體的電梯里面，下蹲都是無法完成的動作。假設電梯從10 米高的地方失控，且天花板不存在的情況下，一個人還可以在電梯內原地向上蹦2 米，而他蹦完之后速度抵消的效果，只是相當于從8米高的地方開始失控，結果是一樣的。因為真正讓人在電梯里受傷的不是速度，而是加速度。

三

為什么光可以用物體擋住，聲音卻不可以？

在物理中，光和聲音都是一種波動現(xiàn)象。只是一個叫電磁波，一個叫機械波而已。而決定一個波會不會被一個物體擋住的因素很簡單：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。人能夠聽到的聲音波長在17mm～17m，日常生活中的絕大多數(shù)物品也恰好都在這個尺度范圍內，導致的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。而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。這就是人在家到處都能收到無線網(wǎng)絡信號的原因。

四

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，而空氣附著車。其實常見的一類問題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)。

五

地球的自轉速度是否在減慢？

日子確實越過越漫長。地球的自轉周期即一天的長度，每隔10 萬年增加1.6 秒，原因可歸為外界因素和內部因素兩類，其中外界因素主要來自長期的潮汐摩擦效應，內部因素主要來自無規(guī)的地核運動和季節(jié)性的大氣運動。所謂“潮汐摩擦”，即為月球和太陽通過占據(jù)地球表面71%的海洋引發(fā)潮汐，把地球“拖慢了”。地球表面的潮汐形成兩邊較鼓的橢球，其旋轉的速度要慢于地殼的旋轉速度，因此地殼與海洋之間的劇烈摩擦導致地球自轉速度變慢。而且，由于能量守恒，在地球自轉速度減慢的同時，月球公轉周期會變長，并慢慢遠離地球。最終，月球公轉周期與地球自轉周期相同，這也意味著一天將與一個月的時間相同。

同樣的過程也發(fā)生在太陽和地球之間。到時候地球相將出現(xiàn)一天與一年的時間相等的情形。那就真的是“度日如年”了。當然，需要有足夠長的演化時間，地球和月球、太陽和地球才能分別達到該狀態(tài)。這也從側面反映了地球作為太陽的行星，仍然處于相當年輕的階段。

六

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？

地球上有一種色彩艷麗的齒蝦蛄科孔雀螳螂蝦，它至少有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。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；狗和貓更關心黑夜里捕捉獵物的能力，因此對顏色需求不大，故視桿細胞更發(fā)達而視錐細胞種類比人類少；蜜蜂和蝴蝶需要在花間采蜜，因此它們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。同在一個地球，尚且如此不同，“各懷絕技”，假如存在外星人，他們又會有怎樣的生理結構呢？