激光都是可见光吗？| No.348
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。
我猜，问题想问的是衡量声音响度时的分贝。衡量响度的物理量是声强级，它的单位是分贝。所谓某个地方的声强级，就是指这个地方的声强（或者叫功率密度）与参考强的比值取对数再乘10，它的数学表达是
，其中
就是参考声强，是人耳能分辨的最弱的声音强度。如果某个时候声强
，这时就是0分贝；如果，
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（或者说声音波动的振幅）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
Q.E.D.
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**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**过程中，内外层**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**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**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
Q.E.D.
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？（这导致实际用肉眼看到的电弧比手机录像拍下来的多得多）
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**帧率的方式来解决。
我们知道，手机**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**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**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
Q.E.D.
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**，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（由于演化中会丢掉大量质量，其在恒星阶段的质量大概是8倍太阳质量），死亡后就会成为白矮星，太阳显然也在其列。
by 霜白
Q.E.D.
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（原来只有三道，我自己加了一道），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：
[1]梁灿彬. 从零学相对论[M]. 高等教育出版社, 2013.
by 霜白
Q.E.D.
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。
左图中A与A'为两个无因果联系的渐进平直区，B为黑洞区，W为白洞区。T为时间，X是空间，这张图压缩了两个空间维度，阴影区外任一点都代表一个球面，阴影的分界线是两条双曲线，该双曲线的渐近线正是两条N线，分界线上r=0，具有真实的奇异性，因此，阴影区内的点并不存在。两条N线与坐标轴夹45°角，其上r=2M，这两条线同时也是两条径向类光测地线，在这两条线上，时间没有意义，是发散的（见右图），这正是史瓦西线元在此处的奇异性的来源。其在非阴影区可见其不具备奇异性。
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（r值越来越小的）、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
Q.E.D.
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：
这张图片大家应该比较熟悉，大家在相对论的科普中应该见过不少。这种图被称作嵌入图，是我们在三维欧氏空间中用图像表示四维时空的一种手段，上文提到，我们冻结了时间，其实我们还压缩了一个空间维度，这张图上每一个圆环实际上都是一个球面，四维时空在这张图上便只剩下两个维度，所以，在这张图上只有面上的点才有意义，面外的点并不存在，我们只是将其画在一个三维欧氏空间而已。
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（实际上是个球面），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
Q.E.D.
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。
传统来说，激光的产生需要“激发来源”、“增益介质”和“共振结构”三个要素。激发来源驱动增益介质振荡，是激光的能量来源。增益介质从微观上可以看成是一些量子或经典的谐振子，其振荡激发了交变的电磁场，增益介质的特性决定激光的波长。为了提高相干性，常常还需要让产生的激光在共振结构（例如谐振腔）中来回反射，起到同步相位，选频和增益放大的作用。
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（分子）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**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，**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**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。
不过，存在这样一种激光源，其构造和工作原理和传统激光器有很大不同，具有产生从微波到X射线各个波段激光的能力，这就是**电子激光源（FEL）。FEL利用的是带电粒子做变速运动时发出的同步辐射，其原理如下图所示，一束高能电子束，从左至右经过一系列极**替排列的磁体阵列，由于受到洛伦兹力作用发生横向振荡，进而沿运动方向发出同步辐射。设相邻磁体间的间隔为，电子运动的洛伦兹因子为
，则地面系中同步辐射的波长
，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
Q.E.D.
本期答题团队
藏痴、深浅、单身男青年、霜白、乐在心中
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编辑：牧羊
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