大千世界精彩紛呈的「速度表演」

大科技雜誌社 發佈 2024-03-30T01:51:43.849237+00:00

其實,大千世界裡惟一不「運動」的就是運動本身。風在吹,浪在涌,高山在崛起,沙丘在移動⋯⋯正是紛繁複雜、千姿百態的運動,使大千世界充滿生機和活力。

大千世界裡,有誰能說自己不在運動之中?是你、是我,還是動物、微生物,還是「穩如泰山」的泰山、「堅如磐石」的磐石?

其實,大千世界裡惟一不「運動」的就是運動本身。風在吹,浪在涌,高山在崛起,沙丘在移動⋯⋯正是紛繁複雜、千姿百態的運動,使大千世界充滿生機和活力。但運動總是有速度的,只是不同物質有不同的速度而已。

速度裡面有多少奧秘?1納米/秒和10萬千米/秒的物質速度變化有什麼共同點,人自身的運動速度變化與自然界運動速度變化有什麼相似性⋯⋯讓我們在地球這個寬廣無邊的大舞台上,一同欣賞大千世界精彩紛呈的「速度」表演,一同思考大千世界速度變化的奧秘!

上篇:速度在1米/秒以下的表演

10-11米/秒(10微微米/秒) 青藏高原緩慢上升

青藏高原只是在近200萬年左右的時間內,從海拔1000米的高度達到了現在海拔4700米的高度。它的平均上升速度是58.7微微米/秒。但每個地質時期它隆升的速度並不均勻,在距今200萬年前的早更新世時期,它上升了1000米;在距今100萬年前的中更新世時期又上升了1000米;但從晚更新世以來的僅10餘萬年,它卻上升了1500米以上,平均每年升高10毫米。其中,從距今1萬年前起,它上升的速度加快,平均每年上升70毫米。現在,它仍處在快速上升的時期。

10-10米/秒(1埃/秒) 爾威茲加樹慢慢長高

自然界樹木生長的速度,真是千差萬別,有的快得驚人,有的慢得出奇。例如在非洲的喀拉哈里沙漠中,有一種名叫爾威茲加的樹,個子很矮,整個樹冠是圓形的,從正面看,像是沙地上的小圓桌。它的生長速度極慢,100年才長高30厘米,即1埃/秒。也就是說,每秒鐘它僅僅長高十億分之一厘米。

10-9米/秒(1納米/秒) 東非大裂谷不斷開裂

據地球物理勘探資料分析,東非裂谷帶存在著許多活火山。這些活火山的不間斷活動,導致大裂谷不停地向兩邊開裂,雖然速度非常緩慢,但近200萬年來,卻達到了平均每年開裂大約2~4厘米的速度。

按每年開裂3厘米的中間速度計算,其速度達到了1納米/秒。可別小看這個速度,它1萬年就是300多米。如果依此不停地開裂下去,未來的某一天,東非大裂谷終會將它東面的陸地從非洲大陸分離出去,從而產生一片新的海洋以及眾多的島嶼。

10-8米/秒(10納米/秒) 海岸一步步後退

本世紀初,我國局部地區海岸侵蝕還相當嚴重。特別是在采沙過度的海岸,近2~3年內海水向陸地侵蝕100多米,侵蝕最嚴重的地方達200~300米。如今黃河入海口一帶的海岸,仍以2.3米/年、即72納米/秒的速度後退。

10-7米/秒(100納米/秒) 沙丘緩緩移動

自1950年以後,由於我國塔里木河上游耕墾不斷擴大,致使塔里木河下游生態環境急劇惡化,主要表現在水源減少,特別是若羌縣所屬阿拉干以下,在1972年後已經斷流,地下水位下降,水質變壞,森林植被衰敗,土地沙漠化加劇發展。到1985年,低矮沙丘以10米/年、317納米/秒的速度向前移動。由於水源枯竭和植被死亡,更使原有的灌叢沙堆迅速向流動沙丘方向發展。

10-6米/秒(1微米/秒) 大氣塵粒降落

大氣中含有大量的塵粒和其它固體物質。尤其是粒徑為0.1微米到5微米的微粒,對於地表能量平衡的影響甚大。根據測定,此類塵粒中的少部分塵粒在大氣中的下沉速度約為1厘米/小時,即2.8微米/秒。如在2000米高空處存在著這類粒子時,約需20多年的時間才能沉降到地面。

在英國發現一種生長很快的花卉植物,這種花卉屬於西洋丁香家族的一種。在14天的時間裡它長高3.65米,也就是說每天長254毫米,長高速度達到了2.9微米/秒。

10-5米/秒(1忽米/秒) 黃河下遊河道抬升

在近幾十年間,由於我國黃土高原嚴重的水土流失,致使每年流入黃河的泥沙達到了16 億噸,其中4億噸淤積在黃河下遊河道,下遊河床由此以平均10厘米/年、即2.8忽米/秒的速度抬升。

電流上導體中自由電子以很小的速度運動所形成的,金屬導體中自由電子的定向移動速度最慢也約為每秒幾忽米。

10-4米/秒(1絲米/秒) 細胞質流動

動植物細胞內細胞質的流動速度約為1絲米/秒。

電流由電荷移動產生,這些電荷移動很慢,速度約為60厘米/小時,相當於1.7絲米/秒。

10-3米/秒(1毫米/秒) 蝸牛速爬

蝸牛的爬行緩慢,其速度約為1.6毫米/秒,全速疾爬的速度為2.3 毫米/秒,大約8.5米/小時。

食物在腸里移動的速度約為5毫米/秒。

10-2米/秒(1厘米/秒) 口腔飛沫傳播

特定時期的傳染性病毒病常常通過近距離空中飛沫傳播。如病人一次劇烈的咳嗽,會產生100萬粒左右的小飛沫,其中含有大量的病毒或其他病原體,這些飛沫在靜止的空氣中以1厘米/秒的速度向四周擴散。在室外,這些危險的夾帶病毒的飛沫可能被吹散或者被陽光殺滅;而如果在室內通風狀況不好的情況下,人群就易被感染。

烏龜快速行走的速度約為5厘米/秒。

10-1米/秒(1分米/秒) 經絡傳感

醫學實驗證明,經絡的傳感速度慢於神經傳導速度,其速度為1分米/秒左右。因經絡是隱形的網絡系統,不像神經傳導,是藉助於顯形的神經系統,所以其傳感速度要慢於神經傳導速度。

蟑螂一般的爬行速度約為1分米/秒。

血液壓入主動脈的速度約為2分米/秒。

下篇:速度在1米/秒以上的表演

100米/秒(1米/秒) 濃煙擴散

1米/秒到9米/秒速度,是日常生活中較為常見的物質運動速度。具備這一區間運動速度的物質,常常與人們的生活密切相關。

火災產生的高溫濃煙擴散速度為約1米/秒左右,其垂直擴散速度比水平方向快3~5倍。這種帶有毒氣的煙給救人、自救和疏散造成極大威脅。

一級風的標準風速是1米/秒。當微風吹起,樹葉輕微擺動,炊煙能表示風向,海水則微微泛起波浪。我國東海海域的黑潮流的平均流速為1米/秒。

成年人步行的平均速度約為1米/秒,游泳的速度約為2米/秒。

球形閃電大多出現在雷雨交加的時刻或暴風雨前後,呈發光的火球形狀,中心極亮。這種火球的顏色多變,直徑通常為10~40厘米。球形閃電常常以2米/秒的速度作水平移動,有時停留在半空中,有時又降落地面。

我國的風力資源極為豐富,絕大多數地區的平均風速都在每秒3米以上,特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼,平均風速更大,在這些地區,發展風力發電是很有前途的。

海水流動速度為每秒3米/秒,潮汐的流動速度為5米/秒。

101米/秒(10米/秒) 激流飛瀉大峽谷

2009年8月16日,柏林田徑世界錦標賽100米決賽中,牙買加運動員博爾特以9秒58獲得冠軍,大幅度刷新百米世界紀錄,成為世界上跑得最快的人,他的速度高達10.44米/秒。

人騎自行車的速度約為14米/秒。

雅魯藏布江大峽谷中許多河段兩岸岩石壁立,其河流流速高達16米/秒,水流湍急、浪花翻轉,至今未有人能漂流過雅魯藏布江大峽谷,其水流的險惡程度也遠在諸峽谷之上。

兔子疾馳的速度為22米/秒;駝鳥奔跑的速度為25米/秒;跑得最快的恐龍速度可達到20多米/秒;雪崩移動速度約為30米/秒;獵豹是陸地動物中跑得最快的動物,每小時可跑145千米,即40米/秒。尖尾雨燕平時飛行的速度為170千米/小時,即47.2米/秒,最快時可達98米/秒,是世界上飛得最快的鳥;衝刺速度最快的鳥是游隼,在俯衝抓獵物時能達到50米/秒的速度。

潛水艇的速度約為20米/秒。有「中國第一快艇」之稱的「海豹」HP1600型超高速巡邏艇艇身輕盈,出擊迅捷,最高速度可達時速112海里,即58米/ 秒。

人類發生正常觸覺反應時,觸覺信號通過一個快速傳導的神經網絡傳到大腦,這個傳導速度約為60米/秒。與此同時還有一種慢速度神經網絡,它的傳導速度僅1米/秒,這部分神經網絡通常被叫做觸覺小體。

高鐵行駛速度一般在300千米/小時,即83米/秒左右。由於它以電為動力,在軌道沿線不會排放廢氣,無污染,是一種名副其實的綠色交通工具。

美國科學家讓光束穿過一團由銣原子組成的熱氣,通過這種方法把光速從30萬千米/秒降到了90米/秒。

102米/秒(100米/秒) 大風暴席捲高山

1958年4月12日美國新漢普郡,在1916米高的華盛頓山上,大風暴的風速達到了每小時371千米,即103米/秒,這是風暴風速最大的世界記錄。

神經脈衝沿神經纖維的傳輸速度為120米/秒。

飛行最快的動物是南美洲的牛虻,飛速達到了200米/秒。

次聲波在空氣中的傳播速度約為300米/秒,聲波在空氣中傳播速度是340米/秒。

「道爾」飛彈又叫「圓環胎」飛彈,北約國家稱它作「薩姆15」飛彈,它是一種機動型全天候近程防空武器,飛彈發射後在極短的時間裡就能達到每秒860米的高速度,它可以攻擊最大飛行速度達到700米/秒的飛機或飛彈,而目前大部分機動式防空武器只能攻擊速度約500米/秒的空中目標。

子彈射出槍口的速度大約是900米/秒。

103米/秒(1千米/秒) 地震波迅猛擴散

聲音在水中的速度為1.453千米/秒。

在第一次世界大戰中,德國製造了一種炮身長34米的大炮,炮彈的速度達到1.6千米/ 秒。

氣象火箭升空的速度約為1.7千米/秒。

地震波的縱波傳播速度約5~6千米/秒。在震中區,人們對縱波的感覺是上下顛動。橫波的傳播速度約為3~5千米/秒。在震中區,人們對橫波的感覺是前後左右晃動。因橫波速度比縱波速度小,故橫波跟在縱波後面。

電磁炮是利用電磁力為炮彈加速的電磁發射系統。電磁炮彈主要用於反飛彈和反衛星作戰。電磁炮的速度可達3~20千米/秒,能有效地摧毀空間的各種人造衛星和飛彈。

人造衛星環繞地球運行的速度是7.9千米/秒,這一速度被稱為「第一宇宙速度」。

104米/秒(10千米/秒) 流星雨追撞地球

在太陽系中除了九大行星和它們的衛星以外,還有彗星、小行星及一些更小的天體。小天體的體積雖小,但它們也和九大行星一樣,在圍繞太陽公轉。如果它們有機會經過地球附近,就有可能以每秒幾十千米的速度闖入地球大氣層,與地球大氣發生劇烈摩擦,從而發出耀眼的光芒。這就是我們經常看到的流星。流星雨是一種由成群的流星看起來像是從夜空中的一點中迸發出來,並墜落下來的特殊天象。流星雨中流星的運動速度都在12千米/秒到72千米/秒之間。

到2019年的今天,人類發明的、飛的最遠的宇宙探測器是旅行者一號,目前正在朝太陽系邊緣飛行,每年差不多要離開太陽5.7 億千米,它的飛行速度是17.4千米/ 秒。

105米/秒(100千米/秒) 電子繞核運動

電子在原子中是按照一系列相隔有序的電子能級排列的。在原子結構中,電子沒有被原子核吸到核上,是因為它以很快的速度繞核運動。根據計算,氫原子核外離核最近的第一能級電子其繞核的速度為220千米/秒,在第二、第三能級的電子繞核運動速度是110千米/秒和73千米/秒。電子離核越遠,其速度越小。

1894年,湯姆遜利測得陰極射線的速度是光速的1/1500,約200千米/秒。

在日全食時的短暫瞬間,人們常常可以看到太陽周圍除了絢麗的色球外,還有一大片白里透藍、柔和美麗的暈光,這就是太陽大氣的最外層——日冕。日冕物質拋射現象是20 世紀70 年代末才觀測到的太陽瞬變的另一重要形式。一次日冕物質拋射出的物質質量可達10~100億噸。其拋射速度在100~1000千米/秒之間。

106米/秒(1000千米/秒)離子體雲引發地磁爆

人們通常所說的「太陽風暴」是指太陽上的劇烈的爆發活動,它是由美國「水手2號」探測器於1962年發現的。太陽發出的電磁輻射、高能粒子流和等離子體流的變化會使太陽表層、地球的磁層、電離層狀態發生不同程度的變化。太陽活動爆發時噴射出的等離子體雲在空間運行的速度可達1000千米/秒,它與地球的磁層、電離層相互作用,從而引起地磁暴和電離層暴。地磁暴不僅影響衛星的姿勢控制,而且會對地面技術設備產生影響。

107米/秒(1萬千米/秒) 核子波動

原子核的結合能很大,比原子的結合能要大上千倍,比分子的結合能則要大到100萬倍以上。核子在原子核里是極不安分的,它們以波動方式運動,速度高達1~10萬千米/秒。

108米/秒(10萬千米/秒) 原子彈爆放光輻射

人類目前憑眼睛能看見的光波有七種,稱為可見光。光傳播的速度是29.98萬千米/ 秒,是目前我們可觀測到具體數值的自然界物質運動速度的「冠軍」。核武器的殺傷破壞方式主要有光輻射、衝擊波、早期核輻射、電磁脈衝及放射性污染等。光輻射是在核爆炸時釋放出的以30萬千米/秒傳播的一種輻射光。1枚當量為2萬噸級的原子彈在空中爆炸後,距爆心7000米的物體,都會受到比陽光強13倍的光輻射。光輻射可使人迅速致盲,並使皮膚大面積灼傷潰爛,物體會燃燒。

109米/秒(100萬千米/秒)或以上類星體輻射源超光速分離

1960年,射電天文學家用當時世界上最大的望遠鏡觀測到兩個射電源。結果發現它們都是很暗的藍色的星體,儘管看起來像恆星,但又不是普通的恆星。天文學上稱它們為類星射電源,簡稱類星體。令人驚奇的是,在某些類星體中,其分立的子電波源間出現分離的相對速度居然快過光速!1977年以來的發現證實,其中一個類星體的內部有兩個輻射源,並且它們還在相互分離,分離的速度竟高達288萬千米/秒,是光速的9.6 倍!

這種與廣義相對論矛盾的現象應該如何理解呢?這裡要對光速極限加一點註解。有一種不正確的理解,認為光速極限是一切速度的極限。這其實錯了,光速只是物體運動速度的一種極限,或能量傳遞速度的一種極限。如果不考慮能量傳遞,那麼找尋超光速的現象並不是難事。

舉一個極常見的例子。在節日的晚上,當探照燈射向高空的雲層時,由於雲層的反射,你會在雲層上看到一個亮點。當地面上的探照燈慢慢轉動時,亮點卻以極快的速度在運動。如果能有足夠高的雲層,這個亮點的速度就可以超過光速。這時,沿著亮點運動的軌道並沒有能量的傳遞,所以它的速度並不受光速極限的限制。

探照燈的例子可以解釋類星體的超光速現象:類星體的中心母體噴射出兩股相反方向的粒子流(相當於探照燈的光),它照射在星系際介質上(相當於高空中的雲),從而激起射電輻射(相當於亮點)。因此,只要中心母體有小的擺動。粒子流照射所激起的輻射區就會迅速地移動。光速不是這種輻射區移動速度的極限,因而超過光速是許可的。

在宇宙大爆炸的初期,宇宙經歷了一次極為短暫的暴漲階段,在宇宙誕生後的10-35~10-33 秒,宇宙奇點的直徑就由10-26米擴張到了1024米(約相當於1億光年)!依此計算,宇宙奇點在這一時間段的暴漲速度達到了1052萬千米/秒。宇宙如此高速暴漲的能量自何而來,仍是一個未解之謎。

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