月球背面为何如此神秘？| No.136_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-01-04 15:23
原创“中科院物理所
长久以来月球背面一直是一个神秘的存在，
“月球背面有外星人飞船残骸”，
“月球背面有纳粹秘密基地”，
“月球背面居住有外星人”，
这些阴谋论很早就流通于坊间，
时至今日也时常见诸网络中。
然而真的存在月球背面这个概念吗？
在我们看不到的另一面又有着什么不为人知的故事呢？
1
Q
为什么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，我们砸碎冰块实际上是向冰的表面施加外力，从而在受力一侧产生裂缝，并向不同方向逐渐扩散的过程。而我们在冰中放入棉花，是利用了棉花内的植物纤维的填充效果，可以在冰的内部形成的网状结构（加固作用），从而有效阻断了裂缝的蔓延，也就表现出含有棉花的冰会显得更不容易被砸碎。这和树根牢牢扎在地里，钢筋混凝土里面加入纤维有效控制微裂纹都是相似的现象。
从能量转化的角度看，砸冰的时候冰吸收了外界给它的能量，吸收这个能量的办法无外乎两种：变形以转化为弹性势能；冰内部的微裂纹扩展（或形成新的裂纹），形成新的表面以转化为表面能。冰主要是通过第二种方式吸收能量，当裂纹足够大，冰就碎了。而棉花的加入使得裂纹的形成与扩展之前需要先拉伸棉花纤维，而棉花纤维是具有一定弹性的，这部分能量就储存在棉花纤维的形变里面了，导致砸碎含有棉花的冰需要更多的能量，这就表现为含有棉花的冰不容易砸碎。
By Aaron Chen & 重光
2
Q
医院用的MRI是测量氢原子的共振信号，人体细胞内，除了富含氢原子，碳原子也很多，很多化合物都是以碳为骨架，为什么没有以测量碳原子信号的磁共振呢？谢谢！
by wx360
A
核磁共振是指磁矩（核自旋量子数）不为零，在外磁场下受到相应频率的电磁波作用时，发生塞曼劈裂，从而在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。而原子序数和质量数均为偶数的原子核必定其核自旋量子数为零，因此不是所有原子核都可以用于核磁共振的。对于我们常见的基态氢原子核，原子序数和质量数都是1，因此自旋量子数为1/2，而人体中基态的碳原子核，也就是常说的碳12，其对应自旋量子数为0，因此无法进行核磁共振。需要注意的是，其同位素碳13可以用于核磁共振，不过其丰度太低且灵敏度比H小，在有机结构分析中应用较多。
By Aaron Chen
3
Q
想知道唱片机是怎么工作的?
by 朵朵
A
唱片机，又名留声机。是一种放音装置，其声音储存在以声学方法在唱片圆盘平面上刻出的弧形刻槽内，唱片置于转台上，在唱针之下旋转，当唱针沿着沟槽移动, 针尖随沟槽波动而轻微地振动。这个振动通过机械装置传送一个膜而将其放大并散发在空气中。当唱盘转动速度与录音时一样, 声音就被准确地恢复出来。如图所示：
By 勿用
4
Q
火是什么，火的颜色由什么决定?
by 9
A
火，燬也。南方之行，炎而上。象形。凡火之屬皆从火。呼果切。从火字的演变就不难看出，火的本义是指物体燃烧时产生的光焰。
但在生活或影视作品中我们又会常常看懂各种颜色的火焰，火焰的颜色是有什么决定的呢？
我们分析一下燃烧过程，燃烧是一个剧烈的氧化还原反应，在此过程中放出大量的热。根据生活经验我们知道火焰的内焰和外焰的温度和颜色是不一样的，同时我们还学过焰色反应，不同金属单质的燃烧会发出不同颜色的光。因此我们结合这两个方面来讨论火焰颜色与温度以及物质种类的关系及其隐含的物理。
首先，从酒精灯火焰的内外焰温度和焰色不同我们发现火焰颜色其实是与温度有关的，他们之间的关系是怎样的呢？这就是黑体辐射——任何物体都具有不断辐射、吸收和反射电磁波的性质，辐射出电磁波的波长具有一定的谱分布，这个分布只与物质本身和温度有关，如果忽略物质本身的影响，这就是理想的黑体辐射模型。在黑体辐射模型中，随着温度的升高，黑体呈现从红-橙红-黄-黄白-白-蓝白的渐变过程，温度越高，红色成分越少，蓝色成分越多。下图分别展示了黑体辐射和实际生活中颜色与温度的对应关系：
黑体辐射不同温度与颜色对应关系
火焰不同温度与颜色对应关系
其次，对于某些特殊的物质而言，在燃烧时，会吸收某些特定波长的电磁波，使得其外层电子被激发到高能级，电子在向低能级跃迁的过程中，发出某些特定波长的光，如果该波长恰好处于可见波段，就会呈现出一些特定的颜色，即焰色反应。比如铜的焰色是绿色，钾的焰色是紫色，钠的焰色是黄色等。另外分子的不同轨道之间的能级跃迁也会导致发光，煤气灶就是一个典型的例子。
如此看来，火焰的焰色首先与燃烧时火焰的温度有关，其次与燃烧的物质种类有关。参考：各种物质燃烧为什么会产生不同颜色的火焰？
By 勿用
5
Q
为什么色光三原色和颜料三原色不同？
by v
A
首先需要明确一点：进入到肉眼的色光决定了我们看到的是什么颜色。
先看色光三原色，色光三原色对应RGB模式，主要应用在显示器领域。下图中，背景是黑色的，代表没有光线，红（R）绿（G）蓝（B）是三原色，然后红光和绿光叠加是黄光，进入肉眼，我们就看到了黄色，红绿蓝三种色光叠加就是白光，其他的类似。
图片来源：Wikipedia
下面着重讲一下颜料三原色，颜料三原色对应CMYK模式，主要应用于印刷行业。CMYK是青色（Cyan）、洋红色（Magenta）、黄色（Yellow）、黑色（blacK）字母的缩写。CMYK不同于RGB，RGB是加色法，CMYK是减色法。白光照射在颜料上，部分色光被吸收，部分色光被反射，我们看到的颜色其实是反射进肉眼的色光的颜色。下图中，背景是白的，代表白光照射，假如白光照射到某一颜料上，如果红光被颜料吸收了，其余的光（绿光+蓝光）被反射了出来，反射光相比于入射光缺少了红光而会显青色，那么这种颜料就是青色的颜料，看上面的色光三原色图也可以发现，蓝+绿不就是青么？再比如，黄色颜料吸收蓝光，反射红光和绿光，青色颜料吸收红光，反射绿光和蓝光，倘若这两种颜料混在一起，那就是吸收蓝光和红光，反射绿光，调出的颜料就是绿色的了。
图片来源：Wikipedia
另外不知你发现了一个规律没有，颜料三原色是色光三原色的两两混合，而色光三原色又是颜料三原色的两两混合。
By 重光
6
Q
相同的滴管滴不同的水溶液，水溶液滴落时的液滴大小相同么？
by 彭朝明
A
不一样的，液滴的大小与表面张力有关。
在密度相差不大的前提下，表面张力越大的液体，在滴管下面悬挂液体的体积也越大（可以形象地理解成能兜住更多液体）。就拿纯水、肥皂水、饱和食盐水举例子吧，表面张力：饱和食盐水>纯水>肥皂水，那么液滴大小：饱和食盐水>纯水>肥皂水。
至于为什么饱和食盐水的表面张力要大于肥皂水，那就与表面问题有关了。先不加证明地给出一个结论：表面张力就是表面吉布斯自由能，而能量越低越稳定，因此表面张力小更稳定。肥皂水是硬脂酸盐的水溶液，硬脂酸的表面张力比水低，因此硬脂酸会被大量吸附到水与空气的表面，以降低表面张力（这种溶质富集于界面层的叫正吸附）；而氯化钠的表面张力大于纯水，因此体相中氯化钠的含量比表面多（这种溶质富集于体相的叫负吸附），但是表面还是含有一点氯化钠的，还是增大了表面张力。
By 重光
7
Q
冰的密度为什么比水小？
by 白面书生
A
首先我们来猜一下你为什么有这个疑问，在我们日常生活中接触的物体里边，固体比如说各种金属啦、混凝土啦都比常见的液体比如水的密度大。当然也有很多固体比如木头、泡沫塑料密度比水小那是因为他们没有那么致密。所以给我们的一个普遍的印象就是好像固体的密度比液体大，再加上根据我们的日常经验都是热胀冷缩，所以水结冰之后密度变小是一件很反常的事情。当然事实上也确实是一件很反常的事情，因为水确实是少数熔化之后体积反而减小的物质。
下面解释一下为什么，主要是因为水分子的极性很强，其中的氧原子会与临近的水分子形成氢键。液态水中的水分子指向很混乱，当温度降低以后，由于分子动能无法克服水分子之间的吸引力，会形成下面这种比较有序的接近六面体结构（当然在不同条件下，冰有很多种结构）。
而这种结构的堆积方式比混乱的水分子之间随意的堆积反而占据更多的空间（对于很多各向同性的金属原子则相反）。想象一个不规则的带有磁极的积木，就不难想象它的整齐排列的结构会比随意堆积占的空间要大一些。
这个现象对生命的产生与演化有着重要意义，冰密度比水小使得水面先结冰从而使得下面的水不会结冰，使得生物得以生存。如果冰的密度比水大的话，那浅水里结冰就是从水底到水面，那么很有可能水体会全部冻住。现有的理论认为生命起源于海洋，如果冰的密度比水大，那么生命的产生条件或许会更加苛刻。
By 望江楼
8
Q
月球背面为何如此神秘？
by 匿名
A
1. 潮汐锁定
首先要说明，月球作为一个球体，确实竟然存在“正反面”之分，因为月球时刻保持几乎以一个方向面向地球，这是由于月球的自转周期和公转周期刚好相等。有的读者已经发现了，世界上还能有这么巧的事？月球肯定是外星人或者史前文明造的！
其实这不是一种巧合，而是一种必然。
在潮汐力的作用下，经过足够长的时间，就会形成这种卫星的自转周期与公转周期吻合，始终以同一面面向主星的现象，称之为“潮汐锁定”。
2. 月球背面
人类第一次见到月球背面是通过前苏联的月球3号太空船在1959年拍摄的影像，而人类直到1968年的阿波罗8号任务环绕月球时，才直接用眼睛看见月球背面。阿波罗8号宇航员威廉·安德斯说：“背面看起来像我在孩提时玩过一段时间的沙堆，它们全都被翻起来，没有边界，只是一些碰撞痕和坑洞。” 这是因为月球背面难以被地球保护，受到了更多陨石攻击。
Fig.1 月球正背面图（NASA）
目前认为，月球背面保存了较正面而言更古老的岩石，背面的月壳比正面要厚，月球上各种元素、矿物的分布也存在正反面不均匀的倾向性。事实上月球不同区域有不同特点和性质，只有更充分的加以了解，提高对不同区域的认识，才能更好地研究整体和历史。
月球背面由于与地球之间相隔了一个月球，很好地屏蔽了了来自地球的无线电，这导致在月球背面的飞行器将失去地球指挥中心的联系与控制，故而从前人类历次登月行动都将目的地都选择在了月球正面。
然而来自地球的电磁信号在射电天文学家眼中却是一种噪声，屏蔽了这些噪声的月球背面是一个天然的射电天文观测圣地，早有科学家设想在月球背面设置射电望远镜，而本次嫦娥四号的探测器也将携带低频射电频谱仪，去月球背面聆听来自宇宙深处的“声音”。
3. 嫦娥四号
本来是嫦娥三号备份星的嫦娥四号经过改进，于昨天10点26分成功着陆，不过此次的着陆地点选择在了月球背面的南极-艾特肯盆地，被公认为是月球上最大、最古老和最深的撞击盆地，有着月球上最低高度的和最薄的地壳，在撞击中可能有来自月幔的物质被抛射出，探测这里将可能对了解月球内部有所帮助。
Fig.2 “鹊桥”号轨道示意图（中央电视台）
Fig.3 根据日本“辉夜姬”号探测器数据绘制的地形图，红色代表高地区、蓝色为低地区，紫圈和灰圈分别为盆地的内、外壁范围。（Garrick-Bethell and Zuber, 2009, doi:10.1016/j.icarus.2009.05.032）
月球背面降落难度大，风险高。
月球背面地形崎岖复杂，嫦娥二号获取的高分辨率月面地形图能够帮助我们选择一个相对平坦安全的着陆区域。这次嫦娥四号任务成功，是世界首次在月球背面着陆，同时也是首次在月球的高纬度极地着陆。
由于在月球背面与地球无法进行直接无线电通讯，2018年5月，嫦娥四号中继卫星“鹊桥”号已一马当先抵达环绕地月拉格朗日L2点的轨道，为嫦娥四号架起前哨站，降落后续的遥科学、遥操作都是通过中继星实施。这也是人类首次在地月L2点实现对地对月中继通信。
这一切都使得嫦娥四号比嫦娥三号任务更为复杂，所以嫦娥四号任务除了科学价值，其技术牵引价值也不容小觑。
By 起个笔名真难
