關於余海峯

天體物理學家、大學講師、科學專欄作家。

德國慕尼黑工業大學、馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任瑞典皇家理工學院博士後研究員及講師。研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制及貝氏統計資料分析等。

曾受訪於香港無綫電視《新聞透視》及香港新城電台《我講你信唔信》。香港星匯點委員、台灣《物理雙月刊》專欄作者及副總編輯、《泛科學》和《科學月刊》專欄作者。科普文章見於香港、台灣各大媒體,合著有《星海璇璣》(花千樹出版)。

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21 thoughts on “關於余海峯

  1. 用簡單的敘述解釋深奧的物理原理。
    我想請教教授一個問題,一般說熱空氣往上浮,可以簡單的用分子的碰撞和重力來說明嗎?
    感謝您。

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  2. 感謝您的答覆,固體用阿基米德原理很好解釋,但是用到氣體(由個別的分子組成)如何說明呢?

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  3. 您好!想像一下一顆熱氣球,由於加熱的關係,氣球因此膨脹,於是可以很容易用阿基米德原理或者氣球外的上下壓力差解釋熱氣球上浮。但如果我們把氣球戳破,熱氣體不過就是在各方向均勻分配對應該溫度的速度分布的粒子堆,那麼所謂熱空氣上浮用壓力差來解釋就反而不令人舒坦,因為對一個個飛行的粒子,何以定義它所受到的“壓力差”?

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    • 你好,熱其實是粒子平均動能,就算你的熱粒子只有一個,比這粒子冷(即動能比較低)的空氣粒子會因重力偏向下沉,所以在熱的這個粒子的下方就有比上方多的空氣粒子,熱的這個粒子就會感受到來自下方密度高的粒子向上的壓力差,把它向上推。

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  4. 但是就動能而言,熱的分子也往下運動,和冷的分子並沒有不同,就這樣講,也不好理解熱的分子分布在上方的機會多。可以用數學證明:在重力影響下,冷熱分子,在上下方向都會運動,但是熱分子(較易克服重力)的平均位置較冷分子較靠近上方嗎?

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  5. 可是就對於冷熱分子而言,d=vt+-1/2*g*t*t,在碰到上下的邊界之後,回到同一高度之後,對於冷熱分子的分布並沒有差異,除了有些往上的較冷分子碰不到上面的邊界。所以真正造成較熱分子在上方的現象,要怎麼用分子的碰撞來解說較好呢?

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    • 這是個很好的問題,因為這涉及數以 mole 計的份子在極短時間內的能量交換,不可能以古典力學方程去解決。我們可以考慮的是(不同能量的)份子在特定時間的期望位移值,實際上就是在做布朗運動的統計力學計算。只能說,溫度(宏觀)和份子能量(微觀)之間的關連比較難visualise。

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  6. 你好,謝謝你費時費心地回應,不過,恕我直言我仍存疑惑。
    討論這個問題(熱空氣)前有個物理字眼“熱”首先要被釐清,在中文上我比較偏好用“燙”,也就是英文的“heat”,或說“高溫的”。但什麼是高溫,這應該從我們(人類)的最初察覺說,也就是皮膚感知後傳達到大腦後的詮釋或翻譯,即固體或液體或氣體成分粒子群對皮膚感溫細胞接收某種特徵的撞擊“程度分佈”與撞擊”頻率分布“後的大腦認知,在物理語言來講,就是馬克思威-波茲曼分佈,而MB分佈的要義告訴我們”溫度是一大群高低速粒子的數量組合的特徵結果”。因此,即使高溫物質中也有低速粒子(群),又或低溫物質中也分散著一些高速粒子(群)。所以,所謂的熱(燙比較好)是粒子群的巨觀表徵,故談單一或數個粒子時,稱它(們)熱粒子我以為並不適合。
    這裡因此有個有趣的想像圖像:我的手接觸被加熱久些的水或空氣時我的大腦會覺得燙;但要是用縮小燈使我們變得跟分子一樣大時(但皮膚與大腦功能保持),我進到熱水或熱空氣中,我還會覺得燙嗎?
    轉回到你的陳述,你說“粒子冷(即動能比較低)的空氣粒子會因重力偏向下沉”。這裡,我想要改動你所說的“熱粒子”和“冷粒子”為“高速粒子”及“低速粒子”(根據“粒子冷凍能比較低”)。那麼一團(在地表的)被加熱後的空氣分子事實上在全空間各方向都會依照MB分佈高低速粒子群,則有什麼道理在重力作用下高速粒子比較往上跑而低速粒子卻要往下走?依普通的運動學即可理解:同樣向下跑的粒子群,相同時間後高初速粒子要比低初速粒子跑得更低下位置且維持或增加高速度。這樣,你的論理“粒子冷(即動能比較低)的空氣粒子會因重力偏向下沉”就有疑惑。當然,“流體中高溫在上低溫在下”是地表生活常理事實,然CHLIN(女士/先生)所要的即是尋求以“粒子的角度”闡明你所述的“原因”,然而在此,我不認為你說已是足夠。
    有個有趣的想像實驗或許可以幫助我們考慮CHLIN的問題:假設在地面上有一個很夠大的絕熱容器,內裝流體以及加熱器,然後加熱相當長時間後關閉加熱器,我要問原本容器內均勻高溫的流體經過相當長時間後是否會有溫度分層的現象?Why?(注意,這並不是用針筒將熱水注入冷水中間去見識冷熱對流的現象)
    (抱歉借博主博文一角狂言拙見)

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    • 沒有問題,環繞科學的討論無任歡迎。我也很高興大家不吝時間以大篇幅討論物理問題!只是雖然我是物理專業,也不一定代表我完全理解某方程式背後的物理意義,或者就算我能完全理解亦未必能準確傳達,請見諒。我能保證的是我寫的內容都是有根有據而已。

      我絕對同意你以速度去代替冷熱字眼,因為速度是個別粒子的物理量,而溫度則是整體粒子的物理量。不過在熱力學中,「熱」一字其實有嚴格定義,代表兩個系統之間非功(work)的能量交換(heat transfer)。所以 heat 不是 energy,而是 delta energy。

      關於腦科學的問題,請恕我不知道答案。回到冷熱空氣的話題上,我想我本人除了做布朗運動的統計力學計算以外,暫時想不到更好的答案。套句費曼的話,這代表我其實並不了解這個現象。

      而你最後的問題,答案是容器內的溫度最終會統一,這是熱力學第二定律的原因。

      我很感謝你的「狂言拙見」,我認為這是很有趣的問題。

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      • 謝謝您的回覆,很抱歉最近太忙了,以至於一直沒有回應您。先不談物理的問題,我要先向您致意,我很高興能認識您這位物理學家–在繁重科研工作下仍努力推廣科普,更重要的,您在學術上的誠實與勇敢。
        另外,謝謝您的指正,我果然把 hot 和 heat 弄反了,讓您和大家見笑了。
        先回到我的想像實驗的問題,樓上的 CHLIN 與樓下的 Cheng-Lung Chen 朋友提到了一個關鍵前提–重力場的存在。因此,在相當大的絕熱容器內剛開始盛裝均勻高溫的流體,在有重力作用的條件下(容器放在地面),我的想法是:該系統的熵(entropy)是沒有最大值的,因此長時間下反而會從熱平衡(均勻溫度)而變成非熱平衡(不均勻溫度)。這有點像是我們的宇宙,若它是唯一(或非唯一但絕熱的),目前卻有相當程度的非熱平衡(非熱寂)的原因就是重力所造成的結果。(我有一些想法和當今主流不同,比方CMB的fluctuation主要成因)
        至於該系統的溫度分層結果為何:我認為是低空高溫而高空低溫。以布朗運動討論此過程時,我以為要加入重力因素與 e<1 的非彈性碰撞的條件。因此,若設定填充相同的流體分子,並簡化碰撞為碰撞參數 b=0 的正面碰撞,在暫時以被撞粒子為靜止座標系的考慮,則向上飛的粒子與被撞粒子碰撞之後,將得到兩個撞後速率較原入射粒子更低速的向上粒子s,然後因接連的碰撞及重力作用減速下,高空區的粒子群將較為低速分佈;反之,向下撞的粒子的造成的粒子s的撞後速率當然也會因為非彈性碰撞而不如入射粒子,但因重力作用加速,反而會使下層低空區粒子群有較高速率的分佈。由是,我認為會是低空高溫而高空低溫的。
        至於非彈性碰撞時會放射出電磁波,在弱重力條件之下,將均勻地向高低空區輻射。但很顯然地,低空區的粒子數密度因重力作用而較大,因此吸收率也應較高空區大,這也造成高空區較低溫之因。

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  7. 我覺得或許可以有一個簡單的解釋,我的說明裡不討論單位,只在意數值比例。
    高速粒子每次碰撞所得到加速度的平均值會大於低速粒子碰撞所得到的加速度,且假設碰撞往各個方向機率均相等。
    假設若高速粒子往各個方向的平均加速度A遠大於重力加速度g,而低速粒子往各個方向的平均加速度B遠小於重力加速度g,如A=10000 ; g=10 ; B=0.01,此時相對來說重力對於低速粒子影響比重較大,而高速粒子幾乎可以忽略重力。

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  8. “高速粒子每次碰撞所得到加速度的平均值會大於低速粒子碰撞所得到的加速度”,是什麼道理呢?

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  9. 碰撞粒子受力=動量變化/時間,
    高速粒子碰撞前後動量變化大,故受力得到加速度也較大,
    這只是我試圖想用單一粒子觀點解釋此問題的一個想法。

    不過經過更多思考後我覺得這個問題似乎不能用單一粒子運動來思考,巨觀來看密度跟浮力這兩件事似乎都無法用單一粒子運動來解釋。我的意思是,想像如果一個封閉腔室中只有兩顆粒子,一個高速一個低速,其實我並不知道高速粒子在低速粒子上方的機率是否較大。
    或者是我才疏學淺不知如何解釋。
    這是個有趣的問題。

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    • 其實我的解釋有個很大的問題,重力場是一直都存在,而碰撞的加速度只是碰撞的一瞬間。
      即便粒子間不斷碰撞,但作用時效性仍然有頗大差異。
      所以我這樣的解釋或許也不太恰當。

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