嫦娥五号带回月壤会增加地球的质量吗？| No.239
前段时间嫦娥五号不远万里
从月球给我们带回来了月壤
但据说月壤不含任何有机养分
不能种菜
（月壤你真的不能用来种菜吗
不过怎么说也是从月球上取回来的
这会不会导致地球的质量增加呢？
Q1
请问，为什么水煮鸡蛋的蛋清是白色的，皮蛋的蛋清却是透明的？
by 聪明的粽子
答：生的蛋清是蛋白质和许多其他小分子的水溶液，蛋白质分子因为本身的疏水基团暴露在外面而彼此分开，光线能够比较顺畅地通过，蛋清看起来半透明。
水煮鸡蛋时蛋清中的蛋白质受热变性，分子结构松散，长长的肽链彼此铰在一起，形成紧密的网，光难以穿过，呈现白色。
皮蛋是用含有生石灰、纯碱、草木灰等的灰，裹在鲜鸡蛋表皮，在18～24℃的环境温度下密封反应得到，反应时生成的强碱（NaOH、KOH）渗入鸡蛋中使得蛋白质变性并放出硫化氢气体，硫化氢气体进一步与蛋清和蛋黄中的矿物质作用生成各种硫化物，于是蛋清和蛋黄的颜色发生了变化，蛋清呈透明的茶褐色、蛋黄则呈墨绿色。
参考资料：
by Alan
Q.E.R.
Q2
糖在嘴里化的过程是溶解吗？
by 匿名
答：糖在嘴里溶化有两个过程，一个是溶解，另一个是酶的催化水解。一般需要“化”的硬糖是以白砂糖和淀粉糖浆为主要原料。白砂糖主要成分是蔗糖，蔗糖在水中的溶解度很高，每克水可以溶解 2.1 g蔗糖（25℃)，所以蔗糖容易吸水，这就是为什么有的糖果放在空气中一段时间表面就溶成浆了，而如果在干燥的环境中，哪怕温度高一点也不会化，所以说是溶化而不是熔化。（溶化是两种以上物质混合成一个均匀相的过程，而熔化是某个物质从固体变为液体的变化，简单点说就是糖溶化在水里和冰变成水这两现象的区别）。而淀粉糖浆是淀粉水解后形成的混合型糖汁，主要是麦芽糖，还有葡萄糖，糊精等其他单糖和低聚糖的混合物。麦芽糖溶解度大得多，使得糖果更易溶化。除此之外，化糖果时不断吞咽，分泌新的唾液，使得这个溶解过程不至于饱和，能一直溶化下去。主要是麦芽糖，还有葡萄糖，低聚糖、糊精等其他单糖和低聚糖的混合物。
by Alan
Q.E.R.
Q3
为什么酒越陈越香，而大多数茶却越新越香？
by 匿名
答：我们从物理变化和化学变化两个角度来阐述酒越陈越香的原因。
酒里面最多的成分就是乙醇和水。乙醇分子同时具有亲水性和疏水性，而自身又很容易形成多聚体分子团簇，再加上水分子V型结构带来的极性，使得乙醇分子和水分子的缔合会产生很多种团簇分子。储存过程中，这些团簇分子逐渐形成大的团簇分子群，乙醇的反应活性降低，我们就闻起来没那么刺鼻了。另外，蒸馏产生的白酒中有许多杂质，在储存的过程中，会由于不溶于酒精或者沸点等多个因素导致其慢慢扩散和挥发，也使得酒的味道更纯。
而从化学变化看，乙醇放久了部分会发生氧化，从而产生乙醛、乙酸，而乙醇和乙酸又会发生酯化反应，这是个平衡反应，高度酒酯化反应占主导，低度酒水解反应占主导，因此高度酒更适合长期储存，低度酒则由于水解反应，酒的味道会变差。此外，还有乙醛和乙醇的缩聚反应，乙醛的自聚反应，都会使得老酒变香。当然还有一些其余的物质和相关的反应，使得老酒的陈化是一个很复杂的问题，有兴趣可以去查阅相关文献~
至于茶叶这个问题，好像并不能说大多数茶叶越新越香或者越陈越香吧，毕竟茶叶有很多种制作工艺，放久了表现出来的结果也不太一样，至于茶叶的制作工艺纷繁复杂，有兴趣我们可以下期仔细讲讲。这里以普洱为例，陈化过程中，茶叶中的氨基酸、多酚类等内含物质发生氧化；芳香化合物经过氧化产生丙醛、戊烯醇等，使茶叶陈香显著；此外多酚类的氧化使咖啡碱含量减少，茶叶苦味降低，可溶性糖等大量产生，茶汤的滋味得到提高。这就是普洱茶越陈越香的主要原因。当然茶香也是因人而异，不同茶叶由于工艺不同，长时间储存的结果也不一样。
by Aaron Chen
Q.E.R.
Q4
卫星外面有一层金黄色膜，有什么作用，是什么材质的？
by 匿名
答：卫星表面金光闪闪的“黄金”外衣，实际上是一种复合结构的多层保温材料，最外的一层是聚酰亚胺，聚酰亚胺的内表面镀了一层铝。聚酰亚胺是一种金黄色的透明高分子材料（见下图），内表面的铝膜具有高反射率，在白色光源照射下就呈现出金光闪闪的效果。在外层的聚酰亚胺和铝膜内，还有十几层隔热材料，每层之间都由隔热网分开，形成一条厚厚的“隔热毯”。
顾名思义，卫星表面的这层隔热材料最主要的功能就是保证卫星内部的温度相对恒定。卫星在轨道上运行时，时而受到地表强度数倍的阳光直射；时而运行到地球阴影中，经受零下二百多度的低温考验。为了保证卫星内部的精密仪器稳定运行，工程师就给卫星精心设计了这样一条“隔热毯”。最外层的聚酰亚胺-铝膜，其作用是尽可能多地反射阳光，同时最大限度地把自身的热量辐射出去。
如果仅仅是要反射太阳辐射，只需要将表面的反射率做得越高越好，这样只要一层金属膜就够了。但是金属有一个缺点，那就是它对电磁波的反射率随频率的升高而降低。根据基尔霍夫辐射定律，物体对热辐射的发射率=吸收率=1-反射率，所以，金属对高频可见光的吸收率高于对低频红外线的发射率，这使得阳光照射下金属的温度迅速升高。
外层聚酰亚胺薄膜的一个重要作用，就是提高对低频红外线的发射率，使隔热材料外层的温度变化不那么剧烈。即便如此，在卫星运行过程中外层温度仍然会在零上一两百度和零下一两百度之间反复横跳，这时候聚酰亚胺优秀的理化性质就派上了用场。聚酰亚胺是综合性能最佳的有机高分子材料之一，在400度高温下不分解，在液氦的低温也不脆裂，所以能够承受卫星运行过程中剧烈的外界温度变化，为卫星的正常运行保驾护航。
by 乐在心中
Q.E.R.
Q5
我们知道原子是很空旷的，原子中绝大部分是空间，原子核只占很少的一部分体积，那为什么由原子组成的宏观物体看上去都是实体而不是空的呢？by 匿名
答：在讨论看上去空/不空的时候，我们使用的测量设备一般是人眼。人眼的观测一定依赖于可见光波段的光子。虽然现代物理学告诉我们，一个原子只有极小的一部分有质量，但是原子几乎处处都可以散射光子。这主要是因为原子核的周围的广大“空旷的区域”实际上一直有电子云缭绕，而散射光子的主力是电子而不是质子或者原子核。所以原子对于我们这些使用光子进行观察的观察者来说，看上去是“实心的”而不是“空心的”。
另一方面，只有从质量分布的角度上说，原子才近乎是一个点—大部分的内容是空的。如果从电磁相互作用的角度上来说，原子核外弥漫着的电子云有着很强的电磁效应。对一般物质（大质量天体除外），质量极低的电子之间的相互作用是粘黏所有原子的骨架，也提供了几乎所有的原子间相互作用。我们对于物质的感知都是电磁相互作用的感知。从这个意义上说，这些原子本来就是“实心的”。
by Luna
Q.E.R.
Q6
音乐软件听歌识曲的功能是如何实现的，原理又是什么？
by 南风喃
答：我们首先想一下我们平常是怎么搜索某个事物的。首先，我们把想要搜索的内容浓缩成几个关键词，然后将关键词输入搜索栏，搜索引擎开始工作。然后按照匹配度从高到低把结果展示出来。那么实现听歌识曲的第一步就是如何在一段音频中提取我们想要的“关键词”。而提取关键词要求我们首先要把音乐包含的信息转换为电脑能够理解的数字信号，那音乐中包含的信息有哪些呢，音调，音色（不同乐器音色的不同体现在不同乐器共振峰的分布不同），不同频率声音之间的相对响度。幸运的是通过短时傅里叶变换技术，我们可以比较精确把一小段时间音乐中的上述三种信息转换为数字信号。
图源：How does Shazam work?图中横轴是时间，竖轴代表相对强度。 现在我们完成了从声音信号到数字信号的转变，但显然此时信号中不仅包含了大量噪音而且体量太大，下一步就是提取这些信号中的关键信息。这部分不同的算法八仙过海各显神通，远不是三言两语说的清楚的，不过大多都是基于滤波技术做的。
然后我们多次采样。之后我们得到了这样的“关键词”：
图源：How does Shazam work?图中横轴是时间，竖轴代表关键频率。熟悉八音盒的应该会想到，这个“关键词”跟八音盒的滚筒基本一模一样！ 最后就是根据我们得到的关键词进行搜索，这部分的实现同样是个难点，首先关键词过多过大，要使搜索结果比较准确，我们需要成千上万个包含丰富信息的关键词，其次还需要对一首曲目的不同段进行匹配。在这个问题的处理上也出现了许多非常有趣的算法，如倒排索引、滑动匹配等就不在这里介绍了。
by 前进四
Q.E.R.
Q7
星球大战中的光剑碰撞在一起的时候是不是真的会像实体接触一样受反作用力，还是两道粒子束会直接穿过？接触时会不会和奥特曼激光对射一样产生散射点？by 匿名
答："An elegant weapon for a more civilized age."——Obi-Wan Kenobi，A New Hope
光剑是星球大战中最亮眼的武器，也是星战迷的居家必备，那么它究竟是什么呢？Wookieepedia上对光剑的描述是这样的：“一束从剑柄里射出的等离子体，由一力场约束其形状和极高的温度。”等离子体是气体原子在高温等条件下被电离后形成的，是带正电的原子核和带负电的电子混在一团的一种“浆糊”，也叫“电浆”，我们的太阳就是由它构成的。由于等离子体内正负电荷都可以自由运动，它自身会产生电磁场，同时也会被外界电磁场所约束；光剑的剑刃就是被某种电磁场约束成圆柱形的一束等离子体，它能发光是因为游离在外的电子重新跃迁回绕原子核的轨道时，会放出电磁波。
当然，看过星战的都知道，两把光剑相碰时就和实体剑刃一样会有相互作用（否则光剑格斗也太容易了，卢克想砍维德那挡都挡不住）。虽然我们无从知晓剑刃上电磁场的具体分布，但可以料想，任何两把光剑外围的电磁场分布都是几乎一致的。这样两把光剑相碰时，其约束电磁场就会相互排斥，就像两块同名磁极被按在一起那样，有了这一斥力，光剑格斗才能有不输于实体剑击剑的精彩。
至于奥特曼的激光对射……我们在No.238 Q7中已经解释过了，光剑是等离子体，自然不会有这种散射现象。最后再强调一下：光剑不是激光！区别见下图：
参考资料（很推荐的一本书）：《星球大战》中的科学，珍妮·卡维洛斯著，周思颖、曹晔、吴奕俊译，北京联合出版公司
by Eosia Leaf
Q.E.R.
Q8
月壤来到地球，地球的质量是不是真的增加了？
by 绝灭翁雪
答：如果我们将地球（包含大气）看做一个整体，那其质量在这次嫦娥奔月，取回月壤的探测活动中应该是减少的。
嫦娥五号这次给地球“减肥”，啊，不是，是探测活动的质量损失主要来源于两方面，一个是燃料损失，主要发生在来去路上的地月轨道修正、近月制动、软着陆时的“刹车”以及上升器点火离开月面的过程；另一个就是着陆器和上升器（质量超过[1]）了，这两位奉命留在月球帮吴刚伐树
。 那发动机点火要消耗多少燃料呢？这就涉及到发动机的比冲量（）[2]了，其定义为单位推进剂的量所产生的冲量，是衡量火箭引擎燃料的能量利用效率的一个物理量。比冲量有按重量（量纲为）和按质量（量纲为）两种定义方式，以重量为例，可以写作，其中为推进器产生的冲量，为消耗的推进器的重量，可以理解为推进器消耗单位重量（单位为）的推进剂可以保持单位推力（单位为）的时间。需要注意，太空中“重量”与地球是不一样的，这里的重量约定为质量与标准引力常数的乘积，即 ，其中标准引力常数.
而同时我们也可以将比冲量写成推力的形式，即将代入上述定义，其中为推进器推力，为时间，同时令，为质量的变化速率质量流量，因此我们可以得到.
这次嫦娥五号一共从月球带回1731g“土特产”，如果将其替代为等质量的火箭推进剂（以液氢/液氧为例，理论比冲量约为460s[3]），可以支持发动机（假设推力为3000N）工作多长时间呢？
将数据代入上式得到：
假设推进过程中推力保持不变，则推进剂消耗速度不变，即：，可知推进剂只能支持推进器工作约，而11月28日，嫦娥五号进行地月制动时，发动机就工作了约[4]。
因此嫦娥奔月所消耗的推进剂质量远大于带回来的月壤的质量，更不要说现在还在月面的着陆器与上升器了。
当然，地球作为一个质量高达的“大胖子”，这最多不过几吨的质量损失就像我上秤之前去厕所一样，完全可以忽略不计。
参考资料：
by 霜白
Q.E.R.
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编辑：他和猫
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