◎烟花中发生了哪些物理和化学變化

◎冬天为什么要往冰面上撒盐

◎麦克风靠近扬声器为什么会“尖叫”

美国珀杜大学食品科学荣誉退休教授

面包变硬的过程至今尚未得箌完整的解释尽管淀粉聚合物分子的结晶作用已得到普遍认可，但这并不是唯一原因一旦离开烤箱开始逐渐冷却，面包便马上开始变硬其变硬速度取决于它的组成成分、烘烤方式和储存条件。

面包是由淀粉分子和面筋（一种小麦面粉蛋白）分子组成的一种海绵样网状粅其中充满了发酵时由酵母产生的二氧化碳气体。

随着时间的推移这些淀粉分子往往会结晶（淀粉晶体不同于糖或盐的晶体，它是淀粉聚合物大分子在小区域内形成的微晶）水对于这些微晶的形成是必不可少的，淀粉会从面筋中吸收所需要的水分子面筋失水之后就會从橡胶状变成一种坚硬的状态（也就是所谓的玻璃态），面包也随之变硬但如果加热变硬的面包，会使它由硬变软这时，面包又会偅新变得松软可口

盐和糖为什么能防止微生物引发的食物腐坏？

美国马里兰大学营养学与食品科学系教授

盐（通常指氯化钠）和糖（通瑺指蔗糖）可以通过多种方式干扰微生物生长防止食物腐烂。

最明显的方式是通过简单的渗透作用使微生物脱水。盐或糖不管处于凅态还是溶解状态，接触食物后总试图与食物中所含的盐或糖的浓度达到平衡。这个作用会把食物内部可利用的水分吸出来使盐分子戓糖分子进入食物内部，从而导致食物的水分活度下降水分活度是食物中微生物生存和繁殖所必需的自由水分子的衡量标准。大多数新鮮食物的水分活度是0.99而当水分活度达到大约0.91时，大多数细菌将停止生长酵母菌和霉菌通常可以在更低的水分活度下存活。

盐或糖所引起的水分减少对不同微生物造成的影响大相径庭绝大多数致病细菌不能在水分活度低于0.94（相当于10％的氯化钠溶液浓度）的环境中生长，嘫而大多数使食物发霉的霉菌可以在水分活度低至0.80（相当于高浓度的盐或糖溶液）的环境里生长

除了让食物脱水外，盐和糖还能降低微苼物的酶活力使它们的脱氧核糖核酸（DNA）分子结构变得脆弱。另外糖还能够提供一种间接的保存形式，让另外一些有机物增加加速忼菌化合物的聚集。例如酿酒时，通过酵母菌发酵使糖转化为酒精；制作泡菜时，乳酸菌将糖转化成了有机酸

向食物中添加盐和糖嘚方法古已有之且名目繁多，比如糖腌、盐渍和盐腌等（西餐中的“咸牛肉”，就是用大块岩盐腌制而成）

盐或糖的固态晶体，以及鹽或糖与水的混合溶液都可以用来腌制食物。例如盐水就是可用于腌制的盐溶液。用盐或糖腌制的食物有很多比如熏猪肉、咸猪肉、糖腌火腿、水果蜜饯，还有果酱和果冻食物腌制的方法多种多样，还可以采用一些辅助保存方法比如烟熏、添加香料等。这些方法鈈仅能防止食物腐坏还能抑制或阻止食源性病原体——比如沙门菌或肉毒梭菌的生长。

有机牛奶的存放时间为什么比普通牛奶长

美国賓夕法尼亚州立大学动物营养与生理学教授

实际上，牛奶在存放时间上的差异与是不是有机牛奶几乎没有一点关系有机牛奶与普通牛奶嘚不同，主要在于奶牛的饲养方式、饲料和牛奶处理过程上的区别出产有机牛奶的奶牛在天然牧场中放养，吃天然牧草长大在后期加笁中，有机牛奶里也不加入防腐剂、抗生素等物质为了给有机牛奶防腐，生产厂家采用特别的处理方法使它们的存放时间通常较长，鈳达一个月之久；相比之下普通牛奶存放时间仅为一周左右。据美国东北地区有机牛奶生产厂商联盟介绍有机牛奶必须在更长时间内保持新鲜，因为这种牛奶的生产厂家较少将其送上货架通常需要更长距离的运输。

令有机牛奶拥有更长保质期的加工处理工艺被称为超高温（UHT）加工处理工艺。这种工艺将牛奶加热到138℃持续约2秒钟～4秒钟。

标准防腐处理工艺被称为巴氏消毒法巴氏消毒法分为两种：┅种为“低温长时”法，这种方法一般将牛奶加热到63℃至少持续30分钟；另一种则是使用更为普遍的“高温短时”法，该方法将牛奶加热箌大约70℃至少持续15秒钟。

加热温度的不同说明了经UHT处理过的牛奶能存放较长时间的原因：巴氏消毒法并未杀死牛奶中的所有细菌它仅僅保证人们喝了牛奶不会肚子疼；而UHT会杀死所有的细菌。

一般情况下经巴氏消毒的牛奶在被运到商店后，零售商还会留出4天～6天的保质期然而在牛奶交货前，则有多达6天的处理和装运过程因此在巴氏消毒之后，牛奶的总存放时间通常为两个星期如果包装得当，经过UHT處理过的牛奶完全不用放进冰箱冷藏在室温条件下就能密封保存6个月之久。

像有机牛奶一样普通牛奶也能进行UHT处理。比如在欧洲很哆普通牛奶都是经过UHT工艺处理的。那么为何不对所有的牛奶都采用这种方式加以处理呢

一个原因是，UHT工艺会破坏牛奶的一些维生素成分（虽然不会破坏太多）还会使一些蛋白质受到影响，处理过的牛奶也不能用来做奶酪更重要的是，经过UHT处理过的牛奶味道会发生改變。UHT工艺会燃烧或加热牛奶中的一些糖使它们变成焦糖，从而改变了牛奶的风味使牛奶变甜。

食品辐照的工作原理是什么它安全吗？

美国艾奥瓦州立大学食品科学教授

食品辐照处理就是让食品经受一定剂量的电离辐射以破坏致病细菌的脱氧核糖核酸（DNA）或蛋白质，從而保障食品安全

其实，只要你破坏了物质的化学键就必然会引发一些化学变化关键在于这些变化是否会使食品中出现有毒物质。从這个角度讲食品辐照似乎是安全的。辐照过程肯定会产生一些特殊的副产物但并没有任何证据表明经过辐照的食品中，这些副产物的含量达到了致病水平在辐照食品中，有一种由脂肪酸衍生的副产物名为2－烷基环丁酮人们担心它有可能使细胞发生突变从而导致癌症，但最新研究表明这种担心是多余的。

辐照源主要有两种：放射性元素（例如钴60）和电子束钴60是一种同位素，即钴的放射性示踪元素能发射γ射线；电子束则是一种基于电子的辐射源。钴60的辐射剂量率较低，因而辐射时间较长要花好几分钟。电子束强度更大具有較高的辐射剂量率，只要几秒钟就能起作用目前我们正在进行X射线实验，准备将它作为一种新型辐射源使用

在美国，食品辐照的使用鈈像在其他一些国家那样普遍——在那些国家食品安全领域的重要提问题并回答是或不是是防止食品腐败。在新鲜农产品中美国食品囷药物管理局只准许对散叶菠菜和卷心莴苣进行辐照处理，以避免人们食用它们而患病不过，对于除此以外的食品出于食品管理方面嘚需要，辐照处理也被准许用于多种食品例如在进口农产品时，辐照可以消灭害虫控制蔬菜发芽及成熟的进程。对肉类食品进行辐照處理时使用的是被许可的巴氏消毒法，它可用于杀灭大肠杆菌或沙门菌这样的微生物

但是，辐照并不是一种“包治百病”的处理方法工作人员会适当调整辐照剂量和辐照持续时间，以对抗某种特定食品中最危险和最容易发现的病原体例如在用巴氏消毒法处理肉类食品的过程中，辐照的主要目的是杀灭大肠杆菌而非肉毒梭菌芽胞（肉毒梭菌芽胞会产生毒素导致肉毒中毒）因为大肠杆菌更有可能存在於肉类食品中并引发肉类中毒。辐照对抗病毒的能力也要差一些不过病毒一般出现于食品供应过程中而非食品加工过程中——在食品供應过程中，个人卫生才是尤为重要的

虽然在许多情况下辐照都是有效的，但它也不能避免类似2009年花生酱受到沙门菌污染这类事件的发生一些高脂食品并不适合进行辐照处理，因为脂肪一旦分解便会产生异味自从2001年和2004年沙门菌疫情暴发之后，美国农业部就规定必须对加利福尼亚扁桃仁进行巴氏消毒或化学处理对于花生美国农业部也可能出台类似的规定，即必须使用一种加热方法——干热烘烤或热油浸泡——对花生进行处理

烟花中发生了哪些物理和化学变化？

美国密苏里大学罗拉分校采矿工程学教授讲授一门关于焰火制造的课程

烟婲，或者说烟火含有易燃成分。高空礼花弹是最常见的一种烟花由礼花弹发射炮筒发射。它分为四个部分：升举弹药、延时导火索、爆破弹药和光效发生器

升举弹药是一种化合物，可以急速燃烧产生巨大的推力，将礼花弹射出炮管升举弹药的另一个作用是点燃延時导火索。在礼花弹升到适当高度时延时导火索会触发爆破弹药。爆破弹药发生爆炸散射出礼花弹里火红的物质。礼花弹包含了无数煙火小弹丸用来产生光亮。这些小弹丸由不同成分的物质层层包裹而成从外层向内层燃烧，使其产生颜色变化

燃放时烟花的颜色和煷度，与烟火混合剂中的金属成分和燃烧温度有关当特定的金属被加热时，电子会在原子的电子壳层（能级）之间跃迁当电子落回较低的能级时，就会释放一个光子光子的波长决定了光的颜色。最容易产生的颜色是红色、绿色、黄色和白色（它们分别由锶、钡、钠和鈦金属产生）蓝色较难产生，因为反应温度必须要刚好合适才能出现蓝色而烟花中的闪光则来自于燃烧速度较慢的混合剂。烟花的造型效果例如环形、心形以及笑脸形，则需要通过小弹丸精准地布置在礼花弹的内部来实现

所有的烟火混合剂都含有燃料和氧化剂。这些混合剂通常由金属硝酸盐和碳基燃料构成当固体的混合剂被引燃，它们就会转变成气体并释放出大量的热量——为了产生耀眼的光芒，温度要超过2,000℃烟花的反应速率由多种因素控制，其中包括礼花弹的成分和其他一些物理特征例如弹丸颗粒的大小（越小意味着反應速度越快），含有助燃剂（例如硫和糖）或阻燃剂（例如盐）高压或密封（可以加快反应速率），较低的装填密度（可以降低反应速率）以及水分含量等等。

冬天为什么要往冰面上撒盐

简言之，盐可以使冰融化

实际上，所有冰覆盖的地方都有一些小水坑盐撒在這些地方会溶解在水中。液态水的介电常数高能使盐离子（带正电荷的钠离子和带负电荷的氯离子）解离。反过来这些离子又发生水匼作用，即它们能与水分子结合这一结合过程放出的热量，可以融化冰面的一小部分因此，大面积地往冰面上大量撒盐可以使冰融囮。而且汽车开过时产生的压力可以把盐挤入冰层从而产生更多水合作用。

大部分在冬季使用的岩盐和我们日常生活中的食盐是相同的粅质两者唯一的差别在于岩盐晶体更大，而被研磨过的食盐颗粒则差不多一样大氯化钙源自海水或其他天然物质。和氯化钠一样它吔常被用来融化大街上的冰。

水温远低于沸点的洗澡水为什么会冒出蒸汽

美国密歇根大学安阿伯校区机械工程学荣誉退休教授

人们通常將浮现在热洗澡水上方的东西称为“蒸汽”。但实际上它们是一些微小液滴，由水面上方的空气和水的气态混合物凝结而成水蒸气本身是一种不可见的气体，它产生于水分子从液态水中逃逸出来的过程即蒸发过程。蒸发比沸腾缓慢但如果给水加热（水分子能量增加），这一过程就会加速

不可见的水蒸气能否凝结成可见的雾气，与周围环境温度和空气中水蒸气的数量有关与冷空气相比，在达到可發生凝结的饱和状态前热空气能保有较多的水蒸气。这种性质就能够解释为什么洗澡水或茶水，在寒冷的冬天早上冒出的可见蒸汽比茬炎热的夏天午后要更多一些

在管弦乐队响亮的伴奏声中，歌剧演员是怎么让人们清楚地听见自己歌声的

澳大利亚新南威尔士大学物悝学家

在管弦乐队伴奏声较弱、听众的耳朵最敏感的音频区，歌剧演员会尽可能大地发出自己的声音

在演讲和演唱时，我们都是通过振動声带（又称声壁即我们喉腔中的小黏膜皮片）来产生持续的元音，即让声带周期性地阻断来自肺部的气流声带以一种基本频率（简稱基频）振动，它决定着音高通常，演讲中的音高一般在100赫兹～220赫兹之间而在演唱时，音高一般在50赫兹～1,500赫兹之间演讲和演唱时的聲音还包含一系列泛音，泛音的频率一般是基频的倍数演唱者，尤其是女高音歌手会努力调整声腔的共鸣，让它与基频相匹配从而顯著提升发音的声功率。

一般频率在500赫兹左右时管弦乐队的伴奏声最为响亮随着频率升高，伴奏声的声级快速下降；而人耳对于3,000赫兹～4,000赫兹之间的音频最为敏感许多歌剧演员都学会了将泛音的频率提升至2,000赫兹以上，这有助于观众听清楚他们美妙的歌声

不同于管弦乐队樂师，歌剧演员会更多地使用颤音——一种缓慢的、周期性的音高变化在听觉系统内的声音信号处理过程中，这种颤抖效果能够使歌剧演员的歌声明显不同于管弦乐队的伴奏声从而更易于分辨。

手机在靠近电脑时为什么会发出啸声

美国纽约大学物理系主任

这可能是一種电磁干扰现象，即一个装置发出的无线电波导致另一个装置性能不良实际上，每一台电气设备无论它本身的用途是什么，都相当于┅个无线电发射装置：不断变化的电流通过这些装置时必定会辐射电磁波当人们在实际工作中需要利用电能时，电磁辐射就会不可避免哋产生正如传统机械装置运行时一定会发出“叮当咔嗒”的噪声。电脑之所以特别“吵人”是因为它们的计算要靠迅速变化的电流充當时钟信号去协调。

手机发出啸声的一种合理解释是你的电脑无意中发射的无线电波，其频率在手机通信的专用频率范围内也就是在800兆赫（1兆赫为每秒震荡一百万次）左右。如果你的电脑发出的信号足够强那么你的手机可能会将这种信号误认为是另一部手机发送的信號——尽管这是一种破译不出的信号。

另一种可能要涉及这两种装置之间更深层次的联系正如变化的电流能够产生无线电波，无线电波吔会诱使导电材料产生感应电流——这就是收音机能够通过金属天线接收由广播电台发送的信号的原因驱动手机扬声器的放大器会受到電脑发射的无线电波的影响而产生感应电流，发出杂乱的吱吱声和啸声1975年，计算机先驱人物史蒂夫·东皮耶（Steve Dompier）巧妙地运用这一效应得箌了和谐悦耳的音乐：他为自己的电脑——一台MITS Altair 8800编写了一套程序这样电脑产生的电磁干扰就可以让附近的一台调幅（AM）收音机播放出甲殼虫乐队的歌曲——《山丘上的傻瓜》（The Fool on the Hill）。

我们无法阻止电动装置产生无线电波但是屏蔽掉这些无用的无线电波，就能抑制电磁干扰大多数电子装置都装在盒子里面，这些盒子要么是金属材质的要么表面覆盖了一层导电涂层。它们能限制住这些电磁波但是盒子上嘚孔洞和涂层中较薄的地方却让一些电磁波泄漏了出去。通常这种泄漏量非常小只有当物体非常接近发射电磁波的装置时才会受到影响。正因如此你的手机在非常靠近电脑时会发出啸声。

麦克风靠近扬声器为什么会“尖叫”

美国杜克大学普拉特工程学院教授

相信你也囿过这样的经历：手拿麦克风走近扬声器，扬声器就会响起刺耳的声音搅得满屋子的人都捂住耳朵。这种令人不快的声音被称为声反馈可由多种因素引起。当输入端（麦克风）和输出端（扬声器）之间形成一个闭合的“回路”时就会产生声反馈现象。扬声器发出的声喑传到麦克风里再通过扬声器放大后发出来。如此循环往复扬声器发出的声音就会越来越大，直至声音不能再被放大达到饱和状态。输出与输入的比值称为增益用来表示放大倍数。在特定频率下会出现过量的增益原因是多方面的，包括麦克风与扬声器之间的距离、麦克风与扬声器的方向设计、声环境中反射面（通常是指房间设计的声学结构）的影响以及其他麦克风与扩音器的影响等等。为了降低增益可以利用均衡器来调节信号的放大状况。

将麦克风与普通木吉他搭配使用时如果扬声器发出的声音传到吉他，扬声器就使输入端与输出端之间形成了回路在这种情况下，吉他就会开始以特定频率（通常在100赫兹～200赫兹之间）过度振动房间本身也会产生共振，发絀明显可以听到的声音相似的机制也会出现在电吉他上：声反馈会引起结构振动，从而放大了吉他内置拾音器（电吉他上用来收音的设備）发出的信号造成声反馈不稳定。

◎什么是暗物质它对宇宙有什么影响

◎如果星系正在加速远离，它们为什么还会发生碰撞

◎既然哋表有太多臭氧大气中为什么还会出现臭氧空洞

◎彩虹为什么不是笔直的，而且看起来能够触及地面

如果月球质量仅为现在的一半地浗将会怎样？

起初质量较小的月球会更靠近地球。因为使月球绕行地球轨道半径慢慢变大的潮汐力将变小这种情况将对地球及地球上嘚生物产生重大影响。

在真实情况下月球绕行轨道到地球的平均距离约为38.4万千米（23.86万英里），这一距离每年都要增加大约4厘米（约1.6英寸）原因何在？海洋潮汐使然月球的引力加上地球和月球围绕共同质心的旋转，迫使地球表面的海水变成椭球状在同一时刻出现两个海水高潮。其中一个海水高潮在地球面向月球的一侧出现；另一个在背向月球的一侧出现与月球绕地公转的速度相比，地球自转速度要赽得多这使得靠近月球一侧涨起的潮水还未落下就被地球自转带着，稍稍超前于月球这些前方海水的引力作用不断将能量传递给紧随其后的月球，使月球每绕地运行一圈轨道都螺旋式地向外扩展一点。

如果月球只有现有质量的一半那么潮汐便会相应变得小一些，令朤球轨道扩张的能量也会少一些尽管推开一个只有一半质量的月球所需的能量较少，但潮汐提供的能量却可能变得更加微弱还是会令朤球比现在更接近地球。

地球的自转不断将能量给予月球这使得地球的自转速度渐渐变慢——换言之，地球上的一天正不断变长地质學家认为，最初一个地球日大约是五六个小时如果月球质量更小一些，对地球产生的拉力也就更小一些那么地球的自转速度就不会变嘚那么慢，一个地球日或许只有15个小时

在过去几十亿年里，较弱的潮汐可能也不会如此猛烈地侵蚀地球的大片陆地进入海洋的土壤较尐，可能会对生命起源产生重大影响：一些被认为是生命种子的有机（碳基）化合物也许根本不能到达早期海洋的原始汤*中。

假设生命還是会产生它们恐怕将不得不面对更频繁的冰期和更极端的突然回暖天气，因为质量相对较大的卫星具有稳定行星气候的作用火星的兩个小卫星合在一起的质量，不到实际月球质量的百万分之一拥有这样小质量卫星的火星在自转轴上的摆动非常明显，因此承受着比地浗更大幅度的气候变化和季节性温度变化

毫不夸张地说，这样一来生命的进化前景将会变得暗淡。更小的月球意味着更加微弱的月光更加微弱的月光意味着更加漆黑的夜晚。在这个变得不同的地球上无论是何种生命形式，都必须进化出更大、更敏锐的眼睛以帮助咜们在更加微弱的月光下行进、搜寻食物和产卵繁殖。

太阳是怎么成为太阳系中心的

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校天体物理学家

关于呔阳系演化的最佳理论模型认为，围绕太阳旋转的尘埃盘是行星形成的场所因而在此形成的一批天体都围绕着太阳旋转。

按照这一模型太阳系起源于一块星际云的坍缩和扁平化。最初这块星际云的直径约为1光年，是太阳直径的1,000万倍但随着星际云越变越密，越来越冷它自身的引力也越来越强大。当引力超过了所有能够稳定该系统的作用力时进一步的剧烈坍缩就发生了。

在坍缩发生之前原始星际雲可能就拥有一定的质量，并且相对某个中心轴轻微且无规则地旋转太阳的形成“耗费”了星际云的大部分质量，星际云剩余部分继续扁平化以圆盘状围绕着新诞生的恒星继续旋转。对银河系其他恒星系统的观测结果显示地球和其他行星很可能来源于剩余的星际云圆盤，因此它们自然会沿着以太阳为中心的公转轨道运行

什么是暗物质，它对宇宙有什么影响

美国达特茅斯学院宇宙学家

暗物质是为解釋一种科学家尚未完全了解的现象而引入的概念。在星系和星系团（靠星系之间的引力结合起来的星系集团）中引力质量和光度质量（發光物质的质量）并不相匹配。这表明宇宙中存在不发光的物质，也就是说它们是不可见的，或者说是“暗”的

对于恒星这样的天體，通过测量其卫星的速度和轨道半径我们就能确定它们的引力质量。我们可以利用恒星质量、颜色、光度之间的已知关系通过观测箌的星系颜色和发光强度，得到组成这个星系的恒星总质量从而得到该星系的光度质量。通过比较星系和星系团的质量和光度我们发現，它们的引力质量远远超过了它们的光度质量

因此，实际存在的物质比我们能看见的要多得多其他一些证据，包括美国国家航空航忝局对宇宙微波背景辐射（通过它我们能够窥见早期宇宙的面目）的测量结果为我们提供了更进一步的信息：暗物质与正常物质的比例為6∶1。

暗物质会是什么呢很多物理学家和天文学家怀疑，它是一种目前还无法探测到的粒子暗物质候选者的原型类似中微子——一种囷电子很相似的粒子，但其质量比电子小得多且不带电荷然而，中微子的所有已知种类都太轻、太少了不符合理论上对暗物质的描述。

那么暗物质是如何影响宇宙的它必定是宇宙中最大结构——星系和星系团——的基本组成部分。暗物质不仅可以解释宇宙中遥远天体嘚状态而且在我们自己的星系——银河系中，暗物质肯定也大量存在人们估计了银河系的组成成分，据此作出预言：我们的太阳系沉浸在一片丰富的暗物质“海洋”中其密度高达每立方米大约10⁵个粒子。此外由于地球绕着太阳公转，当我们相对暗物质“海洋”顺行或逆行时还会经历暗物质的“四季”。

如果星系正在加速远离它们为什么还会发生碰撞？

宇宙学家、澳大利亚昆士兰大学研究员、丹麦暗宇宙学中心合作伙伴

宙的动态变化由一些相互对抗的力所控制这些力的作用随尺度的不同而变化。因而在某些区域局部力的作用可能会超过连续域的普遍力。在比星系团更大的尺度上所有星系其实都在以越来越快的速度相互远离。在距离如此遥远的情况下两个星系之间的引力很小，根本发挥不了明显的作用因此这两个星系或多或少都会遵循宇宙膨胀的一般规则。但在一个星系附近的局部区域凊况却与此不同。在那里引力的作用可能会非常明显天体间的相互作用会更强烈。

一些人认为暗能量正是引起宇宙加速膨胀的原因，咜提供了一种恒定向外的推动力这种力不会随着宇宙的膨胀而减弱。与这种持续不断的向外的推动力相对抗的则是来自宇宙中其他物質和能量引力作向内的拉力。早期宇宙比现在要致密得多当时引力在大尺度和小尺度上都赢得了这场抗争。气体云团冷凝而形成恒星和煋系星系则相互靠拢形成星系团。如果当时存在更多的物质那么宇宙可能就会再次坍缩，根本没有机会再加速膨胀了但是随着宇宙體积的增加，物质和能量的密度确实越来越低因此暗能量逐渐占据了统治地位。平均而言从大约60亿年前（在地球形成以前大约10亿年）開始，宇宙膨胀速度就一直在加快

尽管如此，宇宙“交谊舞会”仍会继续在宇宙开始加速膨胀之前就聚拢在一起的星系，仍有可能发苼碰撞它们聚集在一起形成了宇宙中密度较大的区域，万有引力在这些区域仍处于支配地位在我们的邻近区域，最大的仙女座星系实際上正在向我们靠拢仅仅数十亿年后，我们就将与它发生首次亲密接触

我们所在的本星系群包括仙女座星系、大小麦哲伦星云和其他夶约35个星系，它们全都属于一个更大的星系团名为室女超星系团。我们将和这个星系团中所有的星系一起共同穿越不断膨胀的宇宙。峩们最好试着喜欢上这个团队——任何一个以前没有赢得万有引力战争的星系都已失去了取得胜利的所有机会。目前宇宙已经被分裂為一些靠相互作用维持的小块区域，它们将各自分离孤独地穿越不断膨胀的宇宙。

正像一艘轮船上的狂欢者那样我们本星系群中的星系将继续以无数有趣的方式相互碰撞、相互作用，但是浩瀚宇宙中其他“轮船”上的“狂欢者”将与我们挥手告别再也不会相见。

美国國家航空航天局戈达德航天中心天体物理学家

20世纪初阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）创立了广义相对论，用来描述宇宙发展演变的过程在这┅理论体系中，空间与时间融合成连续的统一体而宇宙则可被描述为一个四维时空网格。从这一观点出发宇宙膨胀并非是说宇宙在扩展新的版图，而是指时空网格本身在膨胀

在相对论问世之前，牛顿物理学（认为天体遵循着牛顿定律运行的物理观点）认为空间和时间嘟是绝对的在牛顿运动方程里，时间仅仅是一个参数而已同时，引力被视为具有质量的物体之间的吸引力而为什么会产生引力却是┅个谜。

虽然在许多实际情况中广义相对论的运动方程都能被简化为牛顿运动方程，但两者的物理概念却是截然不同的在广义相对论Φ，物体借助自身引力赋予了时空网格一些独特的性质引力使时空连续统一体弯曲，因此广义相对论将引力作用视为时空弯曲的表现形式在引力的作用下，物体会从不太弯曲的时空“掉进”更为弯曲的时空

根据爱因斯坦的广义相对论方程，含有物质的时空无法保持静圵状态必须不断膨胀或收缩；星系并非在真正意义上相互远离，而是因为它们身处某一固定的、不断膨胀的时空网格中才给人相互远離的假象。打个比方在一个气球表面画上一些小黑点，然后将气球吹胀小黑点（代表星系）之间的距离将会变大，如果你居住在其中┅个小黑点上你就会认为其他的小黑点正在离你远去。相对于气球表面上的两个坐标（纬度和经度）而言小黑点仍处在原来的位置上，并未移动实际上是气球在不断膨胀。

这里所提出的提问题并回答是或不是四维空间的广义相对论理论无法回答，因为它意味着时空の外还另有一个坐标由于时空与物质紧密相连，因此“气球”表面之外是不存在的——这就是我们能了解的所有时空

月球对地球的大氣层也有潮汐作用吗？

美国科罗拉多大学博尔德分校研究科学家

月球对地球的大气层难道也有潮汐作用吗答案是肯定的。在不同历史时期英国物理学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）、法国数学家皮埃尔－西蒙·拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）等著名科学家，都曾研究过这个提问题并回答是或不是洏早在两个世纪以前，拉普拉斯提出的关于海洋运动的理论就预言了大气潮汐的存在

我们先来看看海洋的潮汐是怎么形成的。在海洋表媔最靠近月球的一点月球的引力最强，把海水吸引了过来而在地球背面，月球的引力最弱令海水再次向外鼓起，不过这一次海水是茬远离月球

如果我们把大气层看作一个海洋，那么海底就是地球表面拉普拉斯的理论预言，每个太阴日**大气压会两次达到极大值此時头顶上方的大气物质数量最多，这与海洋的潮汐是一致的海水涨潮时，上面的大气也在涨潮

令人吃惊的是，观测表明虽然太阳的引力不及月球引力的一半，然而太阳造成的每天两次的大气潮汐却比月球强得多拉普拉斯认为，这么强的太阳潮汐主要是由太阳的热量而不是由引力造成的。这一假说最终在20世纪60年代被科学家证实

既然地表有太多臭氧，大气中为什么还会出现臭氧空洞

美国国家航空航天局喷气推进实验室资深研究科学家

大气中臭氧的浓度是否过高是相对而言的——在大气最低层的对流层中高出了危险警戒线的臭氧浓喥，在对流层之上的平流层中则可能低于警戒线下限地面附近的臭氧并不足以填充所谓的臭氧空洞。此外臭氧量的多少主要由局部的囮学过程进行调节，对流层与平流层分界线上有一温度屏障阻止了臭氧在大气各层间大规模混合。

平流层的臭氧就像一层防护罩能够遮挡住有害的紫外线辐射。然而高浓度的对流层臭氧却会影响人们的身体健康，危害农作物和森林

在整个大气层中，一些自然过程会鈈断地产生和清除臭氧在平流层中，来自太阳的紫外线能将氧气分子分解为氧原子氧原子会与其他氧气分子结合生成臭氧。

一些工业汙染物比如氯氟烃（CFC），之所以能够到达平流层是因为它们在对流层中不会发生反应。在平流层中它们最终被分解为氧化氯（ClO）之類的分子，氧化氯会将臭氧转化为氧气分子从而使平流层中的臭氧浓度降低。

平流层的臭氧浓度一般约为400多布森单位（DU臭氧浓度的标准单位）。每年春天在南极洲上空极其寒冷的气候条件会引发一些化学反应，产生高浓度的氧化氯从而破坏臭氧。在南极臭氧空洞内臭氧浓度可能会降至85DU。

对流层的臭氧浓度一般约为25DU但在很大程度上取决于当地的环境状况。对流层中紫外线较弱因此自然界产生臭氧的效率就低。化石燃料燃烧和有机燃料燃烧等人类活动导致一氧化碳、碳氢化合物和氧化氮的浓度升高。这些气体均会参与一系列化學反应导致对流层中臭氧的生成。

《蒙特利尔议定书》（Montreal Protocol）禁止全球范围内的氯氟烃生产预计在今后的50年～100年内，平流层中的臭氧浓喥将恢复原状人们正在努力执行排放量控制战略，把对流层的臭氧浓度限制在规定浓度之下但这些尝试受到了多方面挑战，例如全球性工业化和跨地域的污染物影响——无论是当地还是远处上风区排放的甚至是其他国家和大陆排放的污染物，都会影响对流层臭氧

美國国家海洋和大气管理局国家气象局查尔斯顿中心科学专员与运营官

湿度用来表示空气中的水分多少。随着蒸发和凝结的循环往复湿度吔在不断变化。地球表面的水也就是江河湖海中的水以水蒸气的形式蒸发至空气中，空气不断吸收水分直到饱和。此时水蒸气凝结荿云，并以雨或雪的形式重返地球表面

电视上的天气预报员经常提到的相对湿度是指空气中水分含量与空气能够承载的水分总量的比值。热空气能承载的水分含量比冷空气多不考虑温度因素，当空气中的水分含量为它所能承载量的一半时相对湿度就是50％。天气预报员強调相对湿度的原因是当高的相对湿度伴随高温来临时，人会感觉不适因为人体需要依靠汗液蒸发来降温，而当空气已经达到饱和状態时人体将无法排汗。

气象学家还要测定空气的露点也就是空气达到饱和状态时的温度。雾天里的冰茶是一个很好的例子用它可以說明这种效应。上文已提到热空气比冷空气能承载更多水分。因此当茶杯周围的空气冷却到露点时，就会使水留在玻璃杯的外表面洏在大气中，空气达到露点时就会形成云不过空气中的水不是凝结在玻璃杯上，而是凝结在空气中的微尘颗粒上当降到露点以下的空氣足够多，形成的由沙尘和水滴组成的云足够重时降雨就形成了。

彩虹为什么不是笔直的而且看起来能够触及地面？

美国国家海洋和夶气管理局国家气象局气象学家

阳光穿过雨滴发生折射便会形成彩虹。折射是指光从一种介质进入另一种介质时传播方向发生偏转阳咣在水中的传播速度没有在大气中那么快，因此它在碰到雨滴时方向会略微偏转；阳光离开雨滴回到空气中时再次发生偏转，重新以原來的速度传播当阳光以合适的角度射入雨滴，会在雨滴中发生折射折射的光线进入我们的视野，我们就看到了彩虹

不同颜色的光，波长各不相同因此在两种介质间传播时，它们的折射角度略有不同这就是为什么彩虹以连续的彩色光带形式出现，红色在最上面紫銫在最下面。

通常情况下雨滴呈球形。想象一个连接雨滴中心与太阳的虚拟轴阳光受到雨滴的影响所产生的光学现象就是沿此轴呈轴對称分布。因而彩虹是以对日点为圆心的圆所谓对日点，就是从观察者角度看正好与太阳位置相反的点我们观察不到整个圆，是因为圓的一部分被地球挡住了太阳离地平线越近，我们看到圆的部分就越多如果是在日落的时候，我们就能看到彩虹的半个圆拱形的顶蔀在地平线以上42度。天空中太阳的位置越高在地平线以上的可见圆弧就越短。

闪电是由宇宙线引起的吗

美国佛罗里达理工学院物理学囷空间科学教授

尽管一些研究人员提出，闪电是由宇宙线引起的但是包括我本人在内的其他研究人员却对此表示怀疑。对这个提问题并囙答是或不是的争论至今仍未停止

在雷暴内部的测量进行了数十年，人们一直未能找到足够强的电场能自发引起闪电。1992年莫斯科列別杰夫物理研究所的物理学家亚历克斯·古列维奇（Alex V. Gurevich）及其同事提出了一种闪电成因理论。这种理论认为由高能宇宙线（源于一些正在爆发的恒星）产生的大规模高能粒子流的运动，可能会触发闪电的大规模能量释放要让古列维奇的理论成立，必须有大量带电粒子同时通过雷暴而单靠宇宙线簇射并不能产生足量的高能粒子。因此古列维奇假设，雷暴通过一种称为“逃逸崩溃”的过程来增加高能粒子嘚数量增强宇宙线的高能粒子流。

当宇宙线的粒子撞到大气中的气体分子释放出高能电子时，逃逸崩溃随即发生这些释放出来的电孓与其他气体分子碰撞，产生更多的逃逸电子、X射线和γ射线，导致一场高能粒子雪崩，撕破云层。根据古列维奇的模型，这种级联簇射就是引发闪电的催化剂。

我们知道逃逸崩溃确实能对雷暴内部的低能级电场起作用。雷暴会发出大规模的X射线和γ射线暴。通过对此进行观测，我们还了解到，逃逸崩溃有时正好发生在闪电之前。但有人仍然对宇宙线引发闪电的说法表示怀疑（事实上有些理论涉及了由其怹因素引起的逃逸崩溃）。他们认为这种说法的主要提问题并回答是或不是是闪电必须形成一条传导通道进行传播。这条温度极高只囿几厘米宽的通道，起着类似金属导线的作用可以让巨大的电流从中流过。人们至今仍不清楚由宇宙线诱发的逃逸崩溃所产生的大规模扩散放电，是怎么产生出这样一条狭窄的高温通道的

美国得克萨斯理工大学大气科学专业助理教授

简单地说，风是空气分子的运动偠理解风的成因，先要弄清两个关键的概念：空气和气压空气的构成包括：氮气（占空气总体积的78％）、氧气（约占总体积的21％）、水蒸气（在地表附近约占总体积的1％至4％）和其他微量成分。每一次呼吸我们吸入的空气都包含着上述比例的各种分子。而在地面附近烸立方英寸（1英寸约等于2.54厘米）的空气约含有10²⁰个分子。

所有空气分子以极快的速度移动着它们与其他空气分子及所有地面附近的物体迅速碰撞。气压可以定义为：空气分子在一定面积上施加的压力大小一般而言，某个区域的空气分子越多这个区域的气压就越大。而风昰气压梯度力作用的结果在特定水平距离，气压的变化使得空气分子从气压较高的区域涌向气压较低的区域我们所感受到的风就源于所有尺度上的此类水平压差。

大部分显示在气象图上的高压带和低压带形成的只是平日里的微风。而产生微风所需的气压差只是大气总壓力的1％这种气压变化在许多区域范围内都会出现。相对而言强风暴源于更大、更集中的气压区域性变化。龙卷风就是不错的例子2003姩6月，美国应用研究联合公司的蒂姆·萨马拉斯（Tim Samaras）在南达科他州曼彻斯特市附近一场F4级（毁灭性的）龙卷风的直接路径上放置了一个科學探测器他发现该龙卷风半径范围上的气压与总的大气压相比下降了10％。气压变化的程度之大以及发生的距离之短解释了龙卷风为何極具毁坏性。它出现时空气分子很快地向龙卷风中心的低压区汇聚，该区域空气中包含的水分凝结形成可见的“漏斗云柱”现象。

土哋为什么大多呈棕色

美国加利福尼亚大学欧文分校生态学研究员

土壤中丰富的无机碳吸收了大部分的可见光，使土壤呈现出独特的深棕銫（如果土壤受到侵蚀或其中少有植物生长，土壤中的碳含量就会变得很低这时我们就会看到底层矿物的颜色——红色、黄色或灰色。）那么一个更有趣的提问题并回答是或不是就出现了：为什么土壤中的碳含量会那么高呢

全球土壤含碳量为1.5×10¹⁸克～2.3×10¹⁸克，是全球植物含碳量的2倍～3倍大部分土壤中的碳沉积了成百上千年。既然有那么多细菌、真菌和其他无脊椎动物在分解和消耗土壤中的碳为何那些碳还是沉积了如此漫长时间呢？

植物死亡后分解者吸收了一部分植物中的碳，并将其余的碳以二氧化碳的形式通过呼吸作用获得。而汾解者死亡后它们的碳又被其他分解者消耗和吸入。

然而一些因素可能会阻止分解者。许多微生物会分泌出酶将有机物分解为小分孓，以便吸收但是，微生物无法将土壤中所有形式的碳都轻易分解死亡的微生物细胞壁上的物质与土壤中的其他碳化合物发生反应，形成复杂的聚合物这些聚合物大多被称为腐殖质，它们的化学结构能够抵御酶的攻击因此可以在土壤中聚集起来。腐殖质能与和它类姒的名为多酚聚合物的分子一起把对它们有潜在分解作用的酶束缚起来，使酶失去活性

其他环境因素也会降低微生物酶的效率。如果汢壤缺氮微生物可能无法得到形成酶所需的营养。此外有些酶需要用氧做底物。因此无氧条件（如沼泽和泥炭地）常常会导致碳在汢壤中积累。

美国加利福尼亚大学里弗赛德分校地球物理学家

简而言之当积蓄的能量，也就是驱使地震发生的能量不能再克服阻碍地震的摩擦力时，地震便停了下来

为了了解这种制动过程，首先要弄清楚地震发生的原因地壳中的岩石受力断裂为两块，这样的地质结構被称为断层聚集在断层周围的岩石被摩擦力固定。随着时间的推移地壳的大陆级地块，即构造板块的运动使岩石沿着断层发生弯曲和拉伸，像压缩弹簧那样将能量注入这些岩石。

当这些不断积蓄的力量超过固定这些岩石的摩擦力时断层上便形成裂缝，并不断扩夶断层开始滑动。这种滑动释放出岩石积累的一部分能量发出地震波。地震波传送到地表会给该地区造成相当大的破坏

一旦地震将能量释放完毕，或者它碰到足够大的摩擦力时地震便会停止。就像滑雪者从雪上滑行到泥土上如果地震遇到无法轻易滑动、拥有较大摩擦力的物质时，就会停下来此外，如果地震到达最近发生过地震的另一个地区它也会停下来，因为这样的地区已经没有足够大的累積能量还可能是因为地震到达了断层尽头，所以停止了；此时从完整岩层上切分出一个新的断层所需要的能量远远超出将现有断层破裂所需的能量。

但是地震也能从一个断层跳跃到另一个断层通常是从4,000米外的地方跳跃过去。因此正如你从来就不知道一场大地震将何時发生一样，你也很难知道它会在何时何地停止下来

*原始汤：奥博林－哈登假说认为，原始地球的大气是富含氨和甲烷的还原性大气洇为闪电、火山爆发等原因，有机物形成了核酸和蛋白质组成的大分子这种有机大分子能够自我复制，它们在40亿年前的原始海洋中形成原始汤最后形成生物体。

**太阴日：月球第一次经过头顶的时间与第二次出现在相同位置的时间间隔对于地球上任何一个定点来说，每個太阴日大约为24小时50分钟比地球自转一周所需的时间——约24小时要更长一些。

◎我们为什么不通过淡化海水获得更多的饮用水

◎全球变暖为什么是二氧化碳的错

◎宇宙飞船怎么在没有磁极的太空中确定方向《星际迷航》中的导航系统有道理吗

◎弹弓效应是怎么改变宇宙飛船的飞行轨迹的

我们为什么不通过淡化海水获得更多的饮用水？

美国太平洋研究所所长（该机构位于美国加利福尼亚州奥克兰市是一個非盈利性环境和水政策公共智囊团）

海水淡化需要消耗大量能源，因而需要大量资金不同地方海水淡化的价格差异很大，用海水生产1竝方米淡水的价格在不足1美元到数美元之间并且人们在减少海水淡化的能源消耗方面所取得的成效，还跟不上能源支出的上涨速度从河水或含水地层抽取淡水的费用则低得多——每立方米约为10美分～20美分，在农业领域费用常常还要更低一些。因此海水淡化供水量不箌人类淡水需求总量的0.5％。

海水淡化还要承担环境成本：取用海水时有可能吸入小的海洋生物扰乱食物链，而且经过淡化过程剩余的盐沝浓度极高如果将它排回海洋，会危害沿海生态系统

尽管如此，随着其他水源逐渐消耗殆尽和价格差距的消失人们对海水淡化的兴趣还是不断增长。寻找新的淡水资源或在某地新建大坝都会提高成本譬如在加利福尼亚修建一个大坝，每立方米水的价格会增加60美分為了更有效地使用水资源，人们还必须做大量的工作但是随着全球人口不断增长和供水量日益减少，可能不久之后通过海水淡化来解決淡水供应提问题并回答是或不是会得到更多经济上的支持。

燃烧释放的二氧化碳重量为什么会超过燃料本身的重量

美国加利福尼亚大學欧文分校地球系统科学系主任

含碳燃料通常以一种还原态的形式存在——也就是说，碳原子大多数都附着在氢原子上在燃烧时，碳被氧化（与空气中的氧原子结合）生成二氧化碳。因为氧原子比氢原子重得多所以燃烧产物比所燃烧的燃料重。

就拿汽油来说辛烷是其主要成分之一。辛烷分子由8个碳原子和18个氢原子组成1摩尔（6.02×10²³个）辛烷分子的重量相当于8摩尔碳原子的重量（1摩尔碳原子重12克）加上18摩尔氢原子的重量（1摩尔氢原子重1克）。因此每摩尔辛烷分子的重量为114克（8摩尔×12克／摩尔+18摩尔×1克／摩尔）

二氧化碳的重量为44克／摩爾（碳原子为1摩尔×12克／摩尔，氧原子为2摩尔×16克／摩尔）如果辛烷完全燃烧生成二氧化碳，它的8个碳原子都会变成二氧化碳分子的组荿部分每个辛烷分子完全燃烧会产生8个二氧化碳分子——或者说，每摩尔辛烷分子完全燃烧将生成8摩尔二氧化碳分子所以燃烧1摩尔辛烷会产生352克（8摩尔×44克／摩尔）二氧化碳。

这样产生的二氧化碳与所燃烧的辛烷的重量比便为352∶114，约为3∶1然而，汽油并非完全由辛烷組成因而实际重量比将会有所不同。

全球变暖为什么是二氧化碳的错

美国国家海洋和大气管理局地球系统研究实验室高级研究员

虽然②氧化碳只占大气组成成分的一小部分，但它却是大气中为数不多的可以捕获地球热辐射的气体之一地球表面吸收了太阳发出的可见光輻射，慢慢升温同时，地球表面也在发射红外辐射把热量放回太空，为地球降温（我们看不见红外辐射，但是当我们站在热炉子旁邊的时候却能感觉到皮肤正在吸收红外辐射。）地表吸收的阳光越多放回太空的辐射就越多，直到散失到太空的热量与地球从太阳那裏吸收到的热量达到平衡

占据空气成分99％的气体（氮气、氧气和氩气）既不吸收可见光，也不吸收红外线因此，这两种辐射都可以畅通无阻地穿越这些气体水蒸气和二氧化碳所占比例仅次于上述气体，能吸收一部分地球发射的红外热辐射由此锁住这些热量，让它们無法返回太空这就是温室效应。如果没有温室效应我们地球的表面将像火星一样寒冷。

虽然二氧化碳和水蒸气在大气中所占的比例很尛但在气体混合的过程中，通过分子间的碰撞这些分子会与氮分子、氧分子，还有氩分子分享它们吸收到的热量因此，整个大气就潒一个保温毯当水蒸气、二氧化碳和其他温室气体增加时，大气的保温作用就会更强

对于那些多余的气体——二氧化碳、甲烷、氧化亞氮和其他一些少量的气体，我们已经在实验室认真研究过它们的性质所以能精确计算出它们产生的热效应。这些温室气体（水蒸气除外）自工业革命前就开始逐渐增多如今它们所截留的总热量，相当于地球表面所吸收的太阳辐射总量的1％其产生的影响大致相当于整個20世纪期间太阳变亮1％所产生的影响。

这些影响听起来似乎微不足道但地球的热平衡稍有变化，就会导致气候巨变过去数百万年来，哋球上一直持续着冰期和间冰期（冰期和冰期之间的温暖时期）的循环变化而仅仅是热带地区5℃左右或两极地区8℃左右的全球平均气温變化，就有可能将这种循环打断

为了减少二氧化碳对气候的影响，可以将其分解为碳和氧吗

美国桑迪亚国家实验室化学工程师

实际上，将二氧化碳分解为碳和氧是能够实现的但是存在一个难题：这样做需要消耗能量。首先如果这些能量靠碳氢化合物燃料提供，就会產生温室气体根据热力学知识，最终所产生的二氧化碳量将超过我们所分解的二氧化碳量

我们可以把这一想法转化为一个化学反应方程式，即CO₂＋能量＝C＋O₂这个反应式基本上是碳燃烧的逆向反应式（碳燃烧反应式为C＋O₂＝CO₂＋能量）。如果靠来自于碳的能量驱动这种分解反應释放的二氧化碳会比消耗的二氧化碳更多，因为没有任何一种反应过程是绝对高效的

另一种选择是，利用非碳能源驱动一种反应這种反应不仅能“反转”燃烧过程，还能把二氧化碳当成一种原料产生有用的高能量值产品。在美国桑迪亚国家实验室研究人员正致仂于用太阳光来驱动高温热反应，用二氧化碳和水生产一氧化碳、氢和氧一氧化碳和氢是用于产生合成燃料的基本化学成分，因而我们稱这一过程为“从阳光到汽油”反应

可燃冰为什么大多形成于海底，而且开采难度大

中国科学院广州天然气水合物研究中心首席科学镓、华南理工大学特聘教授

可燃冰是“天然气水合物”的俗称。它是指甲烷类天然气被包进水分子中在低温高压条件下形成的透明结晶，多呈白色或浅灰色因为外貌类似冰雪，可以像酒精块一样燃烧故人们称它为“可燃冰”。

可燃冰的结构很奇特在1个可燃冰气体分孓周围，包围着6个水分子只要把水去掉，它就是一种理想的燃料它的热值很高，据估算1立方米可燃冰释放出的能量相当于164立方米的忝然气所产生的能量。可燃冰完全燃烧后只剩下二氧化碳和水几乎不会造成任何污染，是一种既清洁又高效的绿色能源

绝大多数可燃栤分布在海洋里，那里的可燃冰储量是陆地的100倍以上这是由其形成条件决定的。要形成可燃冰必须同时具备三个条件：温度不能太高（0℃～10℃），压力要足够大（大于10兆帕）地底要有气源。不管海平面温度如何水越深温度越低。海底温度通常只有3℃～4℃这就满足叻形成可燃冰的温度条件。另外由于海底的有机物沉淀至少都有成千上万年的历史，死去的鱼虾、藻类体内都含有碳经过生物转化，鈳形成充足的甲烷气源当海洋板块下沉时，较古老的海底地壳会下沉到地球内部海底石油和天然气会沿着板块的边缘涌上来。在深海壓力下天然气接触到冰冷的海水便会产生化学作用，生成甲烷水合物晶体

可燃冰大多埋藏在海底的岩石中，这给开采和运输带来极大困难有学者认为，在导致全球气候变暖方面甲烷所起的作用比等量的二氧化碳要大10倍～20倍。而可燃冰矿藏哪怕受到极小的破坏都足鉯导致甲烷气体大量泄漏。另外陆缘海边的可燃冰开采起来十分困难，一旦发生井喷事故就会造成海啸、海底滑坡、海水毒化等灾害。

因此开发可燃冰的最大难点在于，要保证井底稳定使甲烷气不会发生泄漏，从而避免引发温室效应目前，开采方法主要有热解法、降压法和置换法三种但这些方法都还不能用于大规模的商业开采。科学家们正在研究更安全、更高效的钻采方法让可燃冰真正造福於人类。

石油为什么多蕴藏在沙漠和极地中

美国哥伦比亚大学拉蒙特－多尔蒂地球观测站教授

大部分油田和天然气田最终出现在其现有位置，要归因于板块构造——地球表面的巨大板块随着时间推移而发生的漂移河流三角洲和大陆边缘的近海地区也蕴藏着一定的石油、忝然气资源。

石油和天然气大多是由死亡的微生物在缺氧环境中被迅速掩埋而形成的——氧气不足使得它们不能分解因此，它们保持了洎身的碳氢化学键这是形成化石燃料的一个必要因素。新生的海洋盆地——脱胎于板块构造运动和大陆裂解（变形）正好为在缺氧水體中进行迅速掩埋提供了有利环境。河流携大量有机残骸的沉积物而来充填海洋盆地。盆地抑制了水循环所以它们的氧气含量也比开闊的海洋低。

板块构造还形成了“高压锅”慢慢地将有机物“压”成了石油和天然气。这个过程通常需要上百万年石油和天然气会利鼡沉积的时间随着板块运动进行环球漂移。这些碳氢化合物比水轻得多最终它们会冲到地表。另外裂谷作用、大陆板块之间的碰撞，鉯及其他的地质构造作用也会把已经成形的石油和天然气从沉积盆地的深处释放出来，并在它们逃到地球表面之前将这些有机流质封閉在贮存池，也就是我们所说的油田和天然气田中

板块构造既为缺氧环境中掩埋有机物提供了场所并创造了条件，也决定了这些沉积盆哋随后的移动路线大陆板块的漂移、俯冲（即一个板块受力插到另一个板块之下的过程），还有跟其他大陆板块的碰撞将石油从大部汾有机物沉积的沼泽、河流三角洲和气候温暖的地区转移到了极地和沙漠，刚好就是今天它们所在的位置

按照现在的消耗率，全球铀储量可供核反应堆做燃料用多久

美国马里兰大学公共政策学院院长

如果核能机构估算的全球可用铀储量是准确的，那么按照当前的铀耗速喥计算反应堆还可运行200多年。

全球核电站每年生产的2.8万亿度电中大部分都是由以低浓缩铀为燃料的轻水反应堆生产的。大约10吨天然铀鈳生产1吨低浓缩铀而1吨低浓缩铀则可用来生产大约4亿度电，因此现在的反应堆每年需要耗用大约7万吨天然铀

据核能机构介绍，已探明嘚铀储量为550万吨另外尚未探明的铀储量还有1,050万吨——按目前的铀耗速度计算，能用230年左右通过对铀提取技术进行改进和进一步的开发，一段时间后上述估算时间至少可以翻一番。

使用更先进的铀浓缩技术可使轻水反应堆的铀需求量减少使每生产1吨低浓缩铀所需铀量降低30％。从用过的低浓缩铀中分离出钚和铀并用它们来制造新的核燃料，可使铀需求量再减少30％如果将上述技术全都付诸实践，就能使一座轻水反应堆的铀需求量减少一半

有两种技术可使铀储量本身大大增加。尽管目前看来这两种技术都还不太合算但未来一旦铀的價格大幅提升，这两种技术的优势就会立刻显现出来第一项技术是从海水中提取铀，它能制造出45亿吨铀——按目前铀耗速度计算可使用6萬年；第二项技术是核燃料循环利用的快中子增殖反应堆又叫快堆。快堆的铀使用量还不到现在轻水反应堆的1％而它产生的核燃料多於耗用的核燃料。如果用快堆来提供核电按现在的核电生产量，仅仅是核能机构估算出的铀储量就能使用3万年

快中子增殖反应堆与常規核电站有什么不同？

美国纽约州阿默斯特市MJW公司资深保健物理学家

除了像常规核电站一样生产电力之外快中子增殖反应堆还能利用所謂的“快中子”，产生出比自身消耗多达30％的燃料

核反应堆通过裂变产生能量。裂变是原子核分裂为两个或两个以上较小原子核的过程在裂变过程中，一小部分质量转变为能量而对于反应堆，这些能量是利用受控链式反应产生的：铀原子核分裂时会产生两个或更多嘚中子，其他原子核吸收了这些中子后也发生裂变从而释放出更多的中子，持续不断的裂变就发生了裂变产生的高能量中子，以极快嘚速度运动这些所谓的“快中子”无法有效地引发裂变。为了维持链式反应大部分反应堆都会使用一种慢化剂，通常是水或氦气来放慢中子的运动速度，使它处于最容易触发原子核裂变的能量状态

而快中子反应堆则使用一种效率较低的冷却剂，例如液态钠来让这些中子保持高能量状态。虽然这些快中子并不擅长引发裂变但它们却带来了一个额外的好处：它们能够轻而易举地被同位素铀238俘获，然後将铀238变成钚239。有些反应堆是专为这个目的而设计的以便使钚的产量最大化，然后将钚作为燃料使用或者用于制造核武器；如果反應堆产生的燃料大于它们消耗的燃料，那么就被称为增殖反应堆铀238不会轻易发生裂变，铀235却容易发生裂变增殖反应堆就是利用铀238的这┅天然优势，实现燃料增殖的

一些商用核反应堆通常使用浓缩铀作为燃料，其中铀235的含量高达8％虽然这种占比很低的同位素实现了大蔀分裂变以产生能量，但是燃料中绝大多数原子是铀238它们将来有可能转变为钚239原子。

钚239碰巧比铀235更容易发生裂变但是，这种裂变会使燃料中的钚含量减少这就是许多增殖反应堆采用快中子堆的原因。对于生产钚来说快中子绝对是理想的东西，因为它容易被铀238俘获產生钚239，而快中子引发的裂变却比慢中子少

利用核反应堆产生额外燃料也引起了人们的担忧：产生的钚可能会给核扩散推波助澜，并且提取钚所必需的燃料再生过程，会产生放射性废料和潜在的高辐射暴露基于这些原因，1977年当时的美国总统吉米·卡特（Jimmy Carter）下令停止叻美国的燃料再生作业。

美国劳伦斯伯克利国家实验室副主任兼太阳神太阳能研究项目负责人

当太阳光照射到太阳能电池板上时阳光的能量使太阳能电池中的电子释放出来，产生电流我们能够利用这些电流来为袖珍计算器、住宅，乃至火星上的科学站提供电力

在传统嘚结晶硅太阳能电池中，硅晶中的原子可以通过一些共享电子键合在一起当光线被吸收时，这些共价键中的一些电子被激活跃迁到更高的能级。

与键合时相比这些电子能够更为自由地围绕硅晶运动，就像电流那样

我们不妨试着想象一下，如果你房间墙壁上有一个壁架向壁架上抛一个球，就类似于激活一个电子跃迁到一个更高的能级一个光子，即一份不可分割的光能进入硅晶并碰撞电子，使电孓跃上壁架（跃迁到更高的能级）并一直呆在那里，直到我们通过用电来收集这种能量

科研人员正在不断寻找新方法，并对现有方法進行改进来提升光电转换效率。结晶硅太阳能电池的能效约为22％～23％这意味着这些电池将照射到它们上面22％～23％的光能转换成了电能。普通大众支付得起的那种铺设在屋顶上的太阳能电池能效要更低一些通常在15％～18％之间。能效最好的太阳能电池例如卫星上使用的呔阳能电池，能效接近50％

光电转换率是一个重要的测量参数，但我们也关心太阳能电池的制造成本及生产规模就我看来，硅晶技术无法扩大到理想状态达到市场化大量销售的规模。这是因为原材料和生产过程的成本很高如果科研人员研发出一种能够更好扩大生产规模的技术，哪怕是一种比结晶硅能量转换效率低的技术我们也能制造出数百万英亩（1英亩约等于4,046.86平方米）的材料来产生大量的能量。许哆公司和大学正在用塑料、纳米颗粒等各种材料进行试验以实现这一目标。

蓝牙是一种短距离无线通信技术它取代了连接电子设备的纜线。它使用的是设备“查询”和“查询扫描”的工作原理扫描设备会对特定频率的无线电进行监听，而这些频率正是正在主动查询的設备所发无线电信号的频率当扫描设备接收到一个查询信号时，它便发出一个形成连接所需的回应信号

然后，一组设备就形成了所谓嘚微微网微微网可以包括一个主设备和最多7个处于激活状态的从设备，还可以包括更多当前尚未加入该网络的从设备（某一特定设备鈳以属于一个以上的微微网，它既可以是主设备也可以是从设备）在同一微微网内，所有设备同步于一种时钟和跳频模式并且共享一個无线信道。该模式由主设备依据算法确定以避免信号干扰和衰减。基本跳频模式在79个可用频率之间循环但是它可以进行调节以排除那些存在干扰的设备所使用的频率，这样当微微网附近存在诸如无线保真（Wi-Fi）网络之类的静态（非跳频）系统时蓝牙的共存状态将得到妀善。

无线链路再被细分为一些称之为时隙的时间单元每个时隙对应一个跳频。被激活的蓝牙装置在时隙内以数据包的形式传送数据洏跳频会在数据包的传输与接收之间不断发生。当然蓝牙用户只要知道自己想要完成的工作任务就可以了，例如用无线耳机进行免提通話或收听音乐因为蓝牙系统会自动完成上述复杂工作。

量子力学中的虚粒子真的存在吗

美国密歇根大学安阿伯分校密歇根理论物理研究中心主任

虚粒子是真实存在的——它们的一些效应是可观测的，为此物理学家们已经设计出了一些测量方法量子理论预言，每一个粒孓都会在某一时间以任何可能的方式，与其他粒子结合在一起在量子力学中，短暂地违背能量守恒定律是被允许的甚至是必要的。洇此一个粒子可以变成一对较重的虚粒子，这对虚粒子很快又会合而为一变回当初的那个粒子，就像从未出现过虚粒子一样

尽管虚粒子只是这个世界的匆匆过客，但它们却会与其他较为常见的粒子发生相互作用科学家通过研究这些相互作用，就能验证与虚粒子有关嘚种种预言在一个氢原子内，光子（电磁辐射的基本粒子）将一个带负电的电子和一个带正电的质子结合起来依据量子理论的预言，烸一个光子都会在某一时间变成一个虚电子和一个虚正电子（正电子是电子的反粒子）氢原子可以有几种不同的状态。当它处于两种不哃的状态时氢原子与虚电子和正电子的相互作用稍有差异，所以量子理论预言氢原子处于这两种状态时性质会因这些相互作用而略有鈈同。（如果不存在虚粒子两种状态下的性质就应该完全相同。）1947年美国科学家威利斯·兰姆（Willis Lamb）测量到了这种差异，几年后他因為这个研究获得了诺贝尔物理学奖。

虚粒子的另一个现象与基本粒子夸克有关特别是6种夸克中质量最大的顶夸克。20世纪90年代初欧洲原孓核研究组织制造了几百万个Z玻色子，并精确地测量了它们的质量得到的测量结果与粒子物理标准模型预言的质量稍有差异。不过如果考虑到Z玻色子会在某时变成虚顶夸克，且该顶夸克的质量恰好为某一特定数值的话这种差异就可以得到解释。几年后美国伊利诺伊州巴达维亚市的美国国立费米加速器实验室直接测量出了顶夸克的质量，它与欧洲原子核研究组织通过分析得到的预言值完全一致这是峩们判断虚粒子确实存在的另一个引人注目的证据。

美国国家航空航天局为什么选在气候恶劣的佛罗里达发射航天飞机

太空历史学家、媄国史密森学会全国航空航天博物馆资深馆长

选定佛罗里达作为美国载人飞船的发射地点，始于1961年的水星计划之所以选定佛罗里达，有哆方面原因首先，发射地点只有位于海岸才能让飞船在上升过程中位于海洋上空，这样脱落的碎片或废弃的火箭助推器就不会在飞船仩升过程中掉落到有人居住的地方大西洋沿岸更适于发射飞船，因为向东发射可以让飞船飞行方向与地球自转方向相同从而能够借助哋球自转，为火箭摆脱地球引力节省很多燃料

其次，佛罗里达靠近赤道而在赤道，地球表面的自转速度最大目前全球最佳发射地点昰欧洲空间局设在法属圭亚那的宇航基地，大约位于赤道以北5度

梅里特岛是肯尼迪航天中心所在地，建设该航天中心时那里已拥有良恏的物流环境。由于在它附近早已建有一个海军基地和一个陆军基地那里的道路设施不错。该岛基本无人居住因此在岛上建什么都比較方便。虽然美国还拥有诸如波多黎各和夏威夷之类纬度更低的候选发射地点但那些地方交通不便，使它们的吸引力大打折扣

最后，必须指出的是虽然佛罗里达狂暴的亚热带气候让人有些忍受不了，但大多数地方都有气候提问题并回答是或不是美国的中部地区有龙卷风走廊，南部地区有飓风无论你把发射地点选在哪里，或多或少都存在一些提问题并回答是或不是

既然肯尼迪航天中心已经建成，峩认为在未来可预见的时间里，它都是美国航天发射场的最佳选择要想在其他地方再建一个这样设施完备的发射场，成本将非常高

2009姩7月15日“奋进号”航天飞机发射升空。

国际空间站可以作为人造卫星的维修厂或脱轨航天器的中转站吗

美国国家航空航天局国际空间站項目任务分析与综合小组成员

一般来说，在国际空间站上修理卫星是不切实际的但让它充当航天器中途停靠站，却有一定的可能性修悝卫星的主要提问题并回答是或不是在于，修理平台必须与卫星处于同一轨道平面上才能启用而任何一颗卫星满足这一条件的可能性都微乎其微。即使让国际空间站的轨道平面仅改变1度也要消耗将近12吨的推进剂，况且大多数卫星与国际空间站的轨道倾角远大于1度同样，大多数卫星也没有足够多的推进剂来改变自身轨道平面因而它们无法抵达国际空间站。

在国际空间站内修理航天器也存在一些实际提问题并回答是或不是。航天器一旦抵达轨道就要使用点火装置启动各种仪器和阀门。在空间站这个狭窄环境中处置未引爆的点火装置並不明智反过来，空间站又很难容纳一个完全展开的航天器宇航员也无法像地面工作人员那样自由呼吸到足量的新鲜空气，一旦吸入任何有毒物质（例如推进剂）都有可能酿成一场悲剧。

即使甘愿冒上述风险我们也要面对最后的困难：如何建造一个宽敞的修理间或結实坚固的通道，来容纳一个大型航天器运载火箭的空气动力特性限制了有效载荷（即修理间）的直径不能超过5米。即便假设我们可以茬航天器和修理间的壁面之间那仅有几厘米的空间中进行修理工作仍要面临如何将航天器引入和送出修理间这样的难题。一个直径5米的絀入口必须要承受接近200吨的重量就需要相当厚重的构架和金属构件，这又可能使设计、建造和发射过程进一步复杂化

更值得期待的是，将国际空间站用作航天器的中途停靠基地这样可以对离开地球轨道的航天器（如詹姆斯·韦伯太空望远镜和一些执行飞往月球或火星任务的航天器）进一步进行配置。但是，对接到国际空间站的航天器，其装配工作必须在真空环境下进行。无论如何，从国际空间站向月球、火星或其他太空目标发射航天器的发射窗口，要比地面上的发射窗口少得多。

宇宙飞船怎么在没有磁极的太空中确定方向，《星际迷航》中的导航系统有道理吗

美国加利福尼亚州帕萨迪纳美国国家航空航天局喷气推进实验室导航工程师

没有一个始终存在着的磁场（例洳人们在地球上使用罗盘时所依靠的地磁场）可供利用时，导航工程师就必须利用一种自己设计的三维笛卡尔坐标系或者坐标框架来为宇宙飞船导航。

目前在深空（外层空间或宇宙空间）探测中普遍使用的一种坐标框架被称为历元J2000地球平赤道及平春分点坐标系（EME2000）。它嘚名字之所以这么长是因为确定一个三维坐标系统要用到许多必需的元素：一个参照物（地球）、一个参照面（平赤道，不考虑章动吔就是地轴的轻微晃动的理想化赤道）、一个参照方向（春分线，春分那天从地球到太阳的连线）以及一个参照时间（J20002000年1月1日天文历表時间12:00:00，用于计算行星运动的一个统一时标）参照体和参照面用于确定坐标框架的x-y平面。z轴则与x-y平面垂直通常与参照体的旋转轴相同。の所以需要一个参照时间是因为参照面会在太阳系中其他天体万有引力的影响下发生轻微的晃动。

要使用这个定义好的坐标框架宇宙飛船必须能确定和控制自己的方向。宇宙飞船传感器不使用罗盘而是利用太阳和恒星来确定飞船相对于该坐标框架的方位。虽然相对于萣义好的坐标框架用来描述确定的方向的方法有若干种，但是一般我们只用一种方法即用两个角度测量值来描述。在天文学上通常鼡赤经和赤纬来确定宇宙空间中的方向。赤经是该方向在参照面上的角度值赤纬则为该方向相对于参照面上下夹角的数值。

虽然具体方式可能不尽相同但要确定宇宙飞行方向，仍要依靠这些基本原理来确定参照框架并用各种测量值来确定相对于该框架的方位。就影片《星际迷航》（Star Trek）中的导航