为什么没有透明的金属？| No.70

首先，我们先明确两个概念，一个是乒乓球平动速度，它是指乒乓球的球心的速度，另一个是转动速度，指乒乓球绕其球心旋转的角速度，向前指从左向右看是逆时针旋转。从我们日常的经验来看，平动速度和转动速度的方向之间并没有必然的联系：比如车轮向前转但车子在倒退或者车轮向前转车子在前进均有可能，前者的例子是车在冰面上打滑后溜而后者的例子就是汽车的正常行驶。下面我们来分析乒乓球先是前进后是倒回的过程：乒乓球被挤出的瞬间既有向前的平动速度又有向后的角速度，乒乓球与地面接触处相对于地面的速度是向前的，相应的地面施加在乒乓球上的摩擦力是向后的，这个摩擦力使得乒乓球的平动速度和角速度同时变小，乒乓球可以向后滚的关键在于如果平动速度先于角速度变为零，那么这时向后的角速度就会使乒乓球从零向后加速，这就造成了乒乓球先是前进然后迅速倒回的现象。从我们的分析应该可以看出，乒乓球的运动状态和它的角速度以及平动速度是否同向以及如何变化有关，读者可以思考下有没有挤压乒乓球但乒乓球一直前进的或者推一个乒乓球使它先向前后倒回的可能性？

这个现象其实就是所谓的“反气泡”。我们都知道气泡是液体在外面包着气体，而反气泡则相反，是一层气体包着液体。当液滴周围包裹着一层空气进入液体时，一瞬间不会马上相融，而是保持一段时间，周围的气体隔开当中的液体，形成反气泡。当液滴出现在液体表面时，如果有空气层的有效隔绝，也不会马上与液体相融，会在表面上滚动几下，这应该就是题主所说的小露珠了吧。

应该说，降低表面张力是有效形成反气泡的途径之一。这是因为表面张力会使得表面绷紧，呈现缩小趋势，而降低表面张力可以使得表面易于变形，便于空气的介入。物理所公众号7月1号正经玩栏目里就是关于反气泡的小实验，其中洗洁精是一种表面活性剂，就有降低表面张力的作用。感兴趣的同学可以复习一下。

关于透明不透明的问题，可以说讲上一年都不带重样的。时间有限篇幅有限，咱们这里就简单说明一两点吧。

既然让一个物理学的学生来回答这个问题，那么就得适应一下物理学的节奏，我们首先来明确一下概念。透明和金属。金属好理解，这里按维基上的说法来，金属是一种具有光泽（对可见光强烈反射）、富有延展性、容易导电、传热等性质的物质。或许不太严谨，那就来个稍微专业一点的，元素周期表上所有带金字旁的元素构成的物质。金属有个性质就是有大量“全局共享”的“自由电子”。

啥子是“透明”呢？这个词比较“意会”，咱们把它明确一下，就是透光不透光哈。这里透不透的，针对的是可见光哈。毕竟对于X光之类，不透的还是比较少的了。

为啥会有可见光的“透过”与否呢？宏观上几乎所有电磁波问题都可以用麦克斯韦的电磁波理论来解释。简单理解就是麦克斯韦方程组加上边界条件，然后就可以解出来电磁波在介质（是否透光的物质）中的传播方程。而与介质相关的量，是电容率（介电常数）和磁导率。为啥透光呢？就是该材料的电容率和磁导率恰好能使麦氏方程有可见光波段的解，而不透光的就是没有可见光波段的解。

如果小编在这里就结束，然后告诉你就这么巧，金属恰恰满足这个光不能透过的条件，你是不是会很不服？！

那就再满足一下你的好奇心，稍微说一下电磁波在金属中传播的微观机制。这里涉及的专业知识及就比较多了，要想彻底弄明白这个问题建议大学报考物理学专业。我们就说几个专业名词来了满足一下“高逼格”的追求好了。我们知道，金属中有很多“自由电子”是“全局共享”的。而可见光在金属中不能传播，主要就由于这些个自由电子对电磁的响应特性造成的，这里涉及到复杂的电磁相互作用，就不展开说了，其结论就是自由电子的电磁响应决定了金属对低于某一个频率的光子（可见光就在这个范围内）具有较强的反射率，这也是多数金属带有金属光泽的原因哈。

答主在第一次用热水器的时候也遇到过同样的疑问，其实这是一个非常典型的理想条件和实际情况有差别的例子，如果用理想情况下的结论解释实际现象难免会出现一定的偏差。我们先看一下热水器是如何把冷水加热的：首先，热水器包含一个水箱（为简化叙述我们只讨论一个水箱的情况）、进水管、出水管、和加热装置（加热管等）。当热水器正常工作时，冷水进入水箱被加热装置加热，然后，热水通过出水管流出，整个过程达到一种短时间的动态平衡，加热装置的热量持续的被冷水带走，这样我们就可以获得温度恒定的热水。但是，当我们关闭出水口，这种平衡被打破：水箱中的水不再有新的冷水补充，不过这时加热装置并没有立刻停止加热，因为即使断电了加热装置温度还是高于设定温度，这部分多余的热量会对水箱的水持续加热从而导致温度高于设定温度。当你重新打开热水器，首先流出的是出水管残留的被冷却的水然后是水箱残留的过热的水接下来是新进入水箱还没有来的及加热的水最后才是稳定的热水。这就是题主所说的奇怪的温度变化的原因。

看到这个问题，答主心中冒出了另一个问题：进化史上为什么会有猴子变成人？

我们与其他动物最大的不同，或许就在于我们的脑。但是脑这个器官的进化史非常奇特，甚至可以称之为诡异。就现代人而言，脑作为身体的一个器官，所消耗的氧气和能量远超过其他同等大小的器官。而另一方面，短时间的缺氧，或是短时间的能量供应不足，即可对脑产生不可逆的伤害，严重到足以威胁生命。

在我们的祖先还在划分部落的时期里，相较于于四肢发达的尼安特人而言，头脑发达，四肢不够有力的智人在自然选择并不占优。在一个缺乏食物的时期，脑会使得智人比尼安特人先饿死。那为什么智人会进化出发达的大脑呢？这是一个待解决的问题。

补充一点点内容，智人所进化出来的具有语言中枢的脑发挥的作用也是巨大的。脑的语言功能可以联系两个没有血缘关系的种群，这使得合并后的种群在竞争过程中能够获取更大的优势。但是我们需要注意的是，这是脑的语言功能有一定完备后才会产生的优势。

所以所问的问题可能也是很多人的疑惑。它与答主所想的问题是同一个问题，这个问题现在还有待解答。

我们以静电场为例子来说明这个问题。电场线作为描述电场的可视化的手段具有直观、形象的特点，但同时它丢失了对电场描述的精确性。高中课本中就提到过电场线密的地方电场强度大，但是我们也可以通过电荷的分布来求出电场强度的大小关系，这两种方法看起来貌似是独立的，那么他们给出的大小关系是一致的吗?答案是肯定的：在电场中某一点电场会有一个方向，沿着这个方向画一条短线到达另一点，此处也有一个电场方向，再沿这个方向画一条短线，以此类推可以得出一条电场线。如果我们在没有电荷的电场中做一个垂直于电场的小圆，以圆周上各点为起点做电场线，我们可以得到一个由电场线围起来的管道，从电场线的画法我们可以看出，管壁上电场方向都是沿切向的，所以管壁上的电场对于整个管道的电通量没有贡献，电通量只来自于管道两端。由高斯定理可以推断出两端的电通量大小相同符号不同，又因为电通量的定义是Φ=ES，所以面积小的一端电场就大，面积小就意味着管壁上的电场线离得近，换句话说就是电场线更密。所以电场线越密的地方电场强度越大。

这个模型里面只有小孔保证是黑体。窖壁和空腔不能保证一定是黑体（当然也有可能）。但是在达到热平衡时，也就是窖壁的辐射和和吸收相等的情况下，空窖内的辐射是平衡辐射，而平衡辐射就是黑体辐射（这个结论在此 不会 不做证明）。

其实直观一点看，射入小孔的辐射并不一定一次性被窖壁吸收，而是无数次反射后才被吸收完全。所以窖壁可以不是黑体。至于内腔的气体，其实完全可以看成窖壁的一部分。这个模型里地位上充当气体角色的是辐射，也就是光子。