童年迷思：为什么一逛超市就想把手伸进大米里？| No.246

Original Frions 中科院物理所 2021-03-24

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不知道大家平时爱不爱逛超市
但只要你逛过超市
有一件事是一定干过的
那就是——
手插大米！
那手感，那体验
满分！
那为什么会有这种“传统项目”？
“手插大米”的诱人之处又在哪里呢？

Q1

为什么在超市会有把手伸进米里的“传统项目”？【太舒服了，忍不住啊！】by 匿名

答：
就像你自己说的那样【太舒服了，忍不住啊！】（都快变成条件反射了）。
生活中的那些“条件反射”
当我们第一次在超市里摸到了米桶里的米后，那种感觉就会诱惑着我们再次“犯罪”。先是装模作样地抓一把米看看成色闻闻味道什么的，然后趁周围人不注意把手伸进米里搅和一番。
通常我们把手伸进米里首先会感觉到凉爽，因为大米的导热系数一般大于空气的导热系数，当我们把手伸进米里的时候，手上的热量会被迅速导走，且大米会吸附水分（吸走你手上的汗），从而让我们感到凉爽舒适。同时，大米表面通常会有一些粉末，一般是加工过程中产生的米糠或淀粉等，当我们把手插进米里时，这些粉末附着到手上也会起到一定的润滑作用，让我们感到舒服。另外，将手伸进米里会让手部产生一定的压迫感，在一定程度上促进静脉血回流，而且这种轻微的压迫感并不会给我们带来不适，反而会有一点类似“按摩”的感觉，想想按摩是不是很舒服？
以上种种因素结合起来就让我们对把手插进米桶里这件事上瘾了，不得不说，逛超市时的这个“传统项目”确实是让人爱不释手，不过为了卫生起见，大家在超市里还是要克制一下自己的欲望哦
参考资料：
[1]金文,张来林,李光涛,朱庆芳,叶明,王永军.稻谷导热系数的测定研究[J].粮油食品科技,2010,18(02):1-3.
[2]赵卿宇,郭辉,沈群.香米不同储存过程理化和食用品质变化[J/OL].食品科学:1-12[2021-02-18].
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q2

为什么汽水没开封摇完之后第一次开启时不会有明显效果，只有第二次盖上盖子摇完后打开才会疯狂喷出？by the only way is up

答：
这个问题相对比较复杂，用一句话来解释：第一次开启瓶盖时有部分空气进入了瓶中，因此第二次摇完后才会产生更多气体。在生产过程中，厂家会向汽水中加压通入二氧化碳气体，通气的过程中同时也会把汽水瓶中原有的空气排出，因此，未开封的汽水瓶，液面上方的气体几乎就是纯净的二氧化碳。
密闭容器内，汽水（二氧化碳溶液）和上方的气体会逐渐达到动态平衡——溶解的二氧化碳分子不断逸出，同时气相的二氧化碳分子不断溶解，使得溶液中的二氧化碳浓度保持不变。这一过程可以用溶解平衡方程来表示：
在一定温度下，方程向右进行的反应速率正比于液面上方的浓度，进而正比于瓶内二氧化碳气体的分压；而方程向左进行的速率正比于溶液中的浓度。平衡时，正逆反应速率相等，因此瓶内二氧化碳的分压正比于汽水中二氧化碳的浓度，在汽水的量足够多时，我们可以认为后者近似不变，因此二氧化碳的分压为常数，记为。一般略大于大气压。
当开启汽水时，瓶内气压会与外界达到平衡，此时液面上方二氧化碳的分压降低为，因此溶解的二氧化碳会不断逸出，但由于与相差无几，气体的产生速率并不大，表现出来就是一些细密的小气泡不断浮上液面。
第二次盖上盖子后，再次摇晃汽水，使其达到溶解平衡，瓶中二氧化碳的分压恢复到，但此时外界的部分空气已经进入了瓶中，因此瓶内总的气压为，其中为空气分压。再次打开瓶盖时，瓶中二氧化碳的分压将降低为<，因此气体将会比第一次开启时产生得更快。
除此以外，还有两个因素会使得第二次开启时气体产生更快。首先，进入瓶中的空气在第二次摇晃过程中会混入液体，但由于空气的溶解度很低，这些混入的空气只能以小气泡的形式附着在内壁上。第二次开启瓶盖时，这些小气泡就起到了凝结核的作用，提高了二氧化碳的逸出速率。其次，正如之前所述，第二次开启时瓶中气压更高，这意味着相较而言，气体在第二次喷出瓶口时有更大的雷诺数，流动也更为紊乱，外界空气则更容易乘虚而入进入瓶中，进一步降低液面上方二氧化碳的分压，形成正反馈，汽水也就表现出“疯狂喷出”的壮观景象。
by 乐在心中
Q.E.R.

Q3

战斗机倒飞（上下翻转）时是如何改变机翼使得符合伯努利原理的(战斗机为什么可以倒着飞不坠落)？by 匿名

答：
鸟类可以扇动翅膀直接获得反作用力作为升力，但是飞机飞起来的原因就没有这么直观了。怎么让飞机飞起来，什么样子的飞机能飞得好，可以使用什么姿态，这些都是研究气动力学的专家们研究了很久的课题，使用伯努利原理去近似肯定是过于粗糙的。伯努利原理成立首先就得有一些假设：比如气体必须不可压缩、无旋定常等等。对于高速飞行的战斗机（或者使用特定姿态——如眼镜蛇机动的战斗机），这些假设并不成立。严格地说，飞机并不是因为伯努利原理才飞起来的，怎么飞要按照气体动力学来，只是在速度很低的时候，伯努利原理有的时候勉强可以反映气体动力学的结果。而飞机在高速、具有特定姿态的飞行，完全不是伯努利原理的事情。除此之外，战斗机在倒飞的时候的姿态并不是镜像上下翻转——如果是严格地上下互换，那飞机一定是要摔的。战斗机倒飞的时候需要调整到一个有迎角的姿态，只有让机头稍微向上，才可以得到升力，这是一个气体动力学的效应，和伯努利原理没有多少关系。
by Luna
Q.E.R.

Q4

不是说的并联电路各支路互不影响吗？那为什么一条支路电流很大（短路）其他的支路就没电流了？by 匿名

答：
需要强调的是正是因为并联电路各支路“互不影响”（并联起来的电路分得的电压是一样的），才会有这个现象。一条支路很大的电流不会“夺走”本应该走另一条线路的电流，但是短路却会降低所有并联着的器件的分压。
为了最大程度地简化问题，我们先搞一个电路图。对于下面这个电路，如果我们找一个5号电池作为电源，然后搭出下面的电路，断开开关，小灯泡是亮的。合上开关，我们会发现，小灯泡灭了。
（此为思想实验，本实验有危险，请勿尝试）
因为5号电池并不是一个完美的恒压源。如果通过电池的电流太大了，它就无法把输出功率保持为1.5V。这就涉及一个概念：内阻。现实中的电池都是有内阻的，虽然内阻可能很小，但终归不是0。这些内阻会分走部分电源的输出电压。
考虑内阻，这个电路图就会变成这样：
那么现在，假设导线都是理想的，没有电阻，小灯泡分得的电压会和导线一样——0。因为开关闭合，灯泡-开关这个整体的电阻变成了0，无力和外电路的用电器、电源内阻等争夺电压。那么小灯泡当然亮不起来了。
by Luna
Q.E.R.

Q5

为什么火星的山可以这么高？

by 匿名

答：
地球是一颗“活着”的星球。它的内部有一个巨大的有放射性元素的核心在不断的衰变并放出热量加热地幔。这股热量在地球诞生以来，一直不停息地通过推动板块的形成和移动，来造山。因此，对于火星来说，有山说明了至少在遥远的曾经，这颗星球上一定也有过板块构造、火山地震。
相信大家都听过我们在祝寿的时候经常会说的一句话——寿比南山。这是因为在古人看来，山是长寿、耐久的东西。但是在地质学家眼中，山更像是瞬间的东西(在千万年到数亿年这个时间尺度上)。因为地球上的风、水、冰等等，在板块不断碰撞造山的同时，一直在剥削侵蚀着山，把长得太高的山削下去。地球上的所有的山，都是在造山的增高效应和侵蚀的降低效应中动态且瞬间的产物。
所以，火星上的山这么高的原因也就可以理解了。火星的大气（至少近期）已经极其稀薄，虽然有一些水存在过的痕迹，但是早也不知所踪。在火星的内核还没有冷却下来的最后岁月，火星上的山只因为造山运动而升高，没有因为侵蚀而降低。
除此之外，重力也是限制山的高度的一个因素。如果山太高了，自身的重力会超过山体底部岩石的承载极限。火星的重力加速度只有地球的0.38倍，这也意味着火星上的山体的重力更小，更难以破坏山体底部的岩石，可以达到更高的高度。
这些就是火星上的山可以有几十千米那么高的原因。
by Luna
Q.E.R.

Q6

核磁共振既然是一种共振，那为什么对人体无害？

by 匿名

答：
关于“共振会有害”的印象可能来源于受迫振动，在外加力的频率接近物体振动的自然频率时，物体振动的振幅和能量会陡然上升。与此相关有士兵过桥由于频率接近桥的自然频率而使桥坍塌的故事，那么在做核磁共振时，人体组织会像桥一样“坍塌”吗？
答案是不会，因为此共振非彼共振。先说说拉比振荡：二能级体系在外加电磁场的调控下，位于上下能级的概率（对应于反转粒子数）会周期性振荡，振荡频率称为拉比频率。二能级体系的上下能级频率差可以视为“自然频率”，在外加电磁场频率和“自然频率”相等时，就是拉比振荡中的共振，此时无耗散情形下以正余弦的形式振荡。
原子核具有自旋，借助于拉比振荡可以说明自旋数是 1/2 时的核磁共振。核自旋在外磁场中产生附加能量，因而自旋的两个不同方向会使核产生能级劈裂，对应于两能级体系，而反转粒子会产生宏观磁矩，在施加垂直于外磁场的射频脉冲频率和“自然频率”匹配时产生共振，出现宏观磁矩的振荡，由于施加的是与外磁场垂直的脉冲，因而在一定弛豫时间后会逐渐回复到外磁场方向，不同的弛豫时间可以区分不同的人体组织。
另外，经常会被提到对人体有害的是电离辐射，由于磁共振成像时所用的射频脉冲频率较低（~10MHz），因而是“无辐射”的，这可能是一般语境下磁共振成像对人体无害的原因。
参考资料：
《高等激光物理学》李福利
核磁共振的原理是什么
by yrLewis
Q.E.R.

Q7

量子涨落是违背能量守恒定律的无中生有吗？

by myz

答：
量子场论中，粒子是量子场的激发，可以产生和湮灭，因此即使在初始粒子数为零的真空中，经过一定的测量过程也能“无中生有”地产生粒子，这种现象就被称为量子涨落。为了更好地解释这一现象，我们考察如下的思想实验：
我们面前摆着一个盛有“真空”的容器，我们想知道的是：这个容器是否真如看上去那样空空如也。因此，我们需要将一个测量仪器放入容器。这里我们使用的测量仪器是一个激发态的氢原子。将氢原子放入容器中，经过一段时间 t，氢原子跃迁到基态，同时发射出一个光子。光子是不可能事先蕴藏在氢原子内的，因此只可能来自包围氢原子的真空。我们由此得出结论：真空并不是空空如也，其内部隐藏着各种粒子，这些“虚粒子”不同于我们通常所说的真实粒子，它们并非场的激发，而是描述一种激发的“潜能”，只有通过引入仪器进行观察，才能把这些“虚粒子”激发成为真实粒子。
假如我们多次重复这个思想实验，并测量每次氢原子跃迁产生的光子的频率，我们会发现，各次实验产生光子的频率并不完全相等，这是由于氢原子的激发态具有一定寿命，根据能量-时间不确定性原理，光子的频率（正比于能量）会有一定的不确定度。换而言之，氢原子跃迁到基态发射出的光子的能量一般而言并不等于我们将氢原子激发所消耗的能量，从这个意义上讲，微观过程的能量确实不守恒。
但是，如果进行足够多次实验，我们会发现，实验中产生光子的能量时高时低，平均而言就会等于氢原子激发态和基态间的能量差。因此，在统计平均的角度上讲，量子涨落并没有违背能量守恒。或者可以这样来表述：通过对微观过程的单次测量并不能很好地定义“能量”这个物理量，经典物理学的能量只有在多次测量下才有意义，而此时能量守恒确实是成立的。
by 乐在心中
Q.E.R.