为什么有人一喝牛奶就难受？| No.259

Original Frions 中科院物理所 2021-10-21

收录于话题 #问答 252个内容

一杯牛奶，一片面包
可能就是很多人匆忙应付的早餐
但对于有些人来说
牛奶却像是不能品尝的禁忌
牛奶的醇厚香甜变成了万恶之源
那么为什么有人一喝牛奶就难受呢？

Q1

为什么空腹喝牛奶会肚子疼？

by 小砍同学

答：
不仅会肚子疼，还会伴有胀气腹泻的症状，这就是典型的乳糖不耐受症状，或者更学术一点叫乳糖酶缺乏症。至于空腹与否，只要你喝的牛奶足够多，你还是会肚子疼……当摄入含有乳糖的牛奶或其他乳制品之后，正常情况下会在小肠被乳糖酶分解成单糖（半乳糖+葡萄糖），然而当缺乏乳糖酶之后，乳糖不会被机体快速分解吸收，富集于小肠区域，使肠道渗透压上升诱发水样泻。并且乳糖还会在肠道菌群作用下发酵产气产酸（通常是短链脂肪酸），产生的脂肪酸同样也会引起腹泻，而产气则会诱发胀气。
常见的乳糖酶缺乏，一般是先天性或获得性酶缺乏。先天性酶缺乏就是新生儿缺乏乳糖酶，只能依靠不含乳糖的配方奶粉（超市一般都有销售）喂养。
获得性乳糖酶缺乏则极为常见，超过90%的亚洲人都是如此。对大多数人而言，断奶后乳糖酶表达量会逐渐下降，并且在成年后会迅速下降。虽然叫做乳糖不耐受，但其实这种不耐受的阈值在缺乏人群中也有较大差异，多数人可以毫无顾虑的饮用数百毫升的鲜牛乳，但也有像答者这种一个中杯澳白就开始痛苦的。
获得性乳糖酶缺乏在绝大多数地区是普遍现象，仅仅在西欧白人中是罕见现象，这被认为与人类在欧洲演化相关，毕竟能利用畜牧业带来的奶制品，在温带海洋性气候适宜畜牧业的西欧是个非常大的竞争优势。
但对于我们而言，乳糖酶缺乏基本无解，只能控制饮食中乳糖量，而外援乳糖酶补充这种只能作为辅助手段（并且乳糖酶制剂的价格还是有些小贵）。
参考资料：碳水化合物耐受不良，默克诊疗手册
by 某大型裸猿
Q.E.D.

Q2

为什么几乎所有东西被火烧了之后都是黑乎乎的一坨？

by 匿名

答：
这个问题需要分两种情况讨论，一类是发生了燃烧反应，一类是没有发生燃烧反应。
先考虑发生了燃烧之后的残留物。在所有的可燃物中，有机物占了极大的比例。而有机物主要元素就是碳氢氧氮(CHON)，这些物质在充分燃烧之后都会变成气体。但是如果燃烧不充分的话，可能会残留下来积碳，有的时候虽然只有一层，但是附着在不可燃物的表面，就像镀了一层黑一样。
抛开有机物，燃烧还有可能生成的固体中还有金属盐，金属氧化物等。这些东西的颜色那可就五花八门了。比如烧纸钱或者植物残留下来的灰烬，有的时候会呈灰白色，这往往是因为其中有一定比例的“草木灰”——碳酸钾（金属盐），在纯氧中燃烧铝可以得到相当白的氧化铝（金属氧化物）。
在另一些情况里，可能压根就没烧起来。根据小编的个人经验(捂脸)，如果把饭菜啥的放在火上一直烧啥都不管，过了很久再去看的话，会发现饭菜变成了黑乎乎一坨，锅底有的时候也变成黑乎乎一坨。这两种黑乎乎的原因略有差异。
锅底黑乎乎往往是因为天然气(主要成分：甲烷)在不充分燃烧的时候会生成碳，这些碳可能会附着在不可燃烧的锅的底部，让锅底变得黑乎乎。而锅里的菜变得黑乎乎的原因是：上百度的高温对锅里的食物进行了脱水反应。高温打破了有机物中不稳定的化学键，让由CHON等元素组成的有机物变成了水和碳之类的小分子。这样本来好端端的食物就变成一堆黑炭了……
小编提醒：厨房用火，一定要注意安全哟。
by Luna
Q.E.D.

Q3

为什么大部分醛类物质都有毒性？为什么丙烯酸乙酯有低毒性？有机物的毒性是如何从结构组成上体现的？by 匿名

答：
首先，不谈剂量谈毒性都是耍流氓。然后，强调一下，千万不要以偏概全。甲醛、戊二醛固然毒性很大，但是其他醛类并不如此。肉桂醛、香草醛（香兰素）这种不仅是天然化合物，也是合法的食品添加剂。并且生物体内大多数的糖都是醛糖，比如著名的葡萄糖就是如图所示醛糖家族的一员，虽然它们在体内通常是半缩醛的环状构型，但不能不承认它们是醛啊……
fig. D-醛糖家族
至于有机物的毒性如何从结构组成上如何体现，其实这个问题也有些大了，如果我们看了一个有机物结构组成，就知道其毒性了，那我们还要豚鼠和毒理实验干嘛……
不过有机物的毒性也有一些所谓的规律可言，毒性基本就是对蛋白功能的抑制和对正常生理结构的破坏（无机物的毒性也基本是如此原理）。可以与机体正常蛋白结合互作的有机物无机物，基本都有一些生理性、药理性、或者毒理性作用……比如甲醛，是非常常见的生物样品固定剂，通过与生物样品中蛋白和核酸以及脂质共价交联，活性大分子都可以被甲醛变性交联了，甲醛当然毒性很大。而对蛋白功能抑制，更多的是通过与蛋白结合来抑制蛋白的活性，比如尼古丁可以与乙酰胆碱受体结合，大剂量尼古丁籍此引起尼古丁中毒。此外有机磷可以将乙酰胆碱酯酶磷酸化抑制，积聚乙酰胆碱，过度刺激乙酰胆碱受体，引起病变。
参考资料：醛糖
by 某大型裸猿
Q.E.D.

Q4

有时迅速关门或者关抽屉在即将要关上的时候会感觉阻力突然增强了，而且可能还会伴随风声，求原因，如果是密闭空间内气体被压出造成的话，门的现象又如何解释？by 体某委

答：
naive的想法是，在密闭空间关门，门在关上的过程中将空间里一部分气体排出至屋外，导致屋内气压降低，在门将要关上的时候内外气压差将对门产生阻力。
不过更有意思的现象是，如果门的质量较小，房间的密闭性较好，这种情况下貌似我们无论用多大力气摔门，门都不会砰的一声关上。在门将要关上的一瞬间，在门与门框的缝隙处将产生巨大的气流，阻碍门进一步闭合，仿佛门是撞在了非牛顿流体上，瞬间停止运动，甚至可能被反弹回来。当然当门的质量足够大时，例如当门的质量趋于无穷时，可以想象缝隙处产生的气流并不足以抵消门的惯性，这时门仍然会关上。下面展示了一组模拟密闭空间中关门时，房间内的气流变化的图片。
注入的六氟化硫气体在关门时的浓度分布和速度分布。模拟的总时间T=8s，(a)-(c)位于T=4.5s，(d)-(f)位于T=7.9s。
可以发现在门将要关上的瞬间，确实有强大的气流从门与门框的狭小缝隙中流过，正是这股气流使得运动的门被迅速逼停。
参考资料：
[1] Chang L, Zhang X, Wang S, Gao J, Control Room Contaminant Inleakage Produced by Door Opening and Closing: Dynamic Simulation and Experiments, Building and Environment (2016), doi: 10.1016/j.buildenv.2015.12.013.
by John Watson
Q.E.D.

Q5

为什么用手机拍下电脑屏幕（可能是像素低，细看有网格状）的照片后，放大缩小时会有纹路产生？by 三岁小孩

答：
这是一种被称为摩尔纹的现象，通常用数码相机拍摄显示器或投影仪画面时会经常出现摩尔纹，而当我们放大或缩小拍摄下来的画面时，摩尔纹的间距、位置以及形状会发生改变，使得画面中的纹路更加显眼。为了更好地解释这个现象，我们先从摩尔纹的产生原理讲起。摩尔纹本质上是差拍原理的一种表现。从数学上讲，两个频率接近的等幅正弦波叠加，合成信号的幅度将按照两个频率之差变化。同样，差拍原理也适用于空间频率。空间频率略有差异的条纹叠加，由于条纹间隔的差异、重合位置会逐渐偏移，也会形成差拍。比如两组间隔分别为和的平行直线重叠在一起，如下图所示：
图片来源：维基百科
可以发现重叠以后形成的图形有些地方更密一些，有些地方更疏一些，而这就形成了所谓的摩尔条纹，经过简单计算可以得到摩尔条纹的间距为。
对于显示器和数码相机，其显示都是基于由像素组成的网格，而我们用数码相机拍摄电子屏幕时，这两套像素网格会产生交叠，从而会形成复杂的摩尔条纹。当我们放大或缩小拍摄的图片时，相当于在改变图片的像素网格相对于手机屏幕的像素网格的大小。更具体一点，作为类比，如果将手机屏幕的网格当成上述例子中的间距格栅，而图片为间距格栅，那我们放大或缩小图片相当于在调节的大小，这样当然会使得摩尔条纹的间距，位置(以及实际情况里的条纹的形状)发生改变。
作为题外话，其实不止照片，在凝聚态物理中，最近很火热的转角石墨烯等二维材料中也会出现摩尔条纹的身影。
转角石墨烯，图片来源：维基百科
基于同样的原理，转角后的双层石墨烯会形成近似更大的元胞，为这类材料带来更多的可调参数以及更加丰富的物理。
参考资料：Moiré pattern
by John Watson
Q.E.D.

Q6

请问光是光子组成的，那光运动的动能是谁提供的？比如太阳光的动能是太阳提供的，那手电光或蜡烛光的动能也是手电或蜡烛提供的吗？by 匿名

答：
回答这个问题，首先需要我们对光子这个模型有正确的认识。
一、光子是什么
熟悉科学史的朋友都知道，“光的本质”这个问题见证着物理的发展。从牛顿的粒子说，惠更斯和菲涅尔的波动说，到麦克斯韦的电磁波说，爱因斯坦的光量子说。每一次对光的本质认识的深入，都伴随着物理研究的重要进步。
虽然我们今天所说的“光是光量子”和牛顿最早提出的“光是粒子”看起来很相似，两者实际上却是千差万别。光子作为具有波粒二象性的粒子，会有一些类似于经典粒子的性质，譬如能量、动量，但这只是一种类比的方式，二者从概念上已经是完全不同的事物了。
我们不妨比较一下经典粒子与光子在各个性质上的不同：经典粒子一定有大于零的质量，速度可以选取任意值；光子没有静止质量，但有能量，这就要求光子始终以光速运动。经典粒子动能通过式子来衡量，粒子的能量等于动能 + 势能；光子由于速度固定，难以抽象出一个动能的概念，因此光子只讨论总体能量，能量由公式衡量，能量与光的频率成正比，为普朗克常数。经典粒子可以通过碰撞等相互作用改变速度，进而改变能量和动量；光子也能通过与电子等其他粒子作用改变能量、动量。经典粒子不会产生或消失，总数量不会改变，但光子能够产生和消失。
二、太阳、手电筒、蜡烛是如何发光的
有了之前对光子特点的了解，我们就能够开始理解太阳和手电筒等的发光机制了。前面说到，光子能够产生和消失，而发光现象其实就是产生光子的结果。太阳能够发光，其实是由于太阳内以氢氦为燃料的核聚变过程中产生了光子。手电筒有旧式的灯泡手电筒和现在的LED手电筒，两种本质都是因为电源供电使电子跃迁到激发态，再次跃迁到基态（或其他激发态）产生光子。蜡烛涉及到蜡的燃烧过程，反应过程中会有参与反应原子处于激发态的电子跃迁产生光子。
因此，并非是太阳、手电筒等物体赋予光子能量，而是他们通过各种物理化学过程产生了光子。
by Quesmark
Q.E.D.

Q7

为什么凸透镜成像只是上下颠倒，而平面镜成像只是左右颠倒？

by 匿名

答：
首先要纠正问题中对凸透镜和平面镜成像的描述。凸透镜成像，上下和左右都颠倒；平面镜成像，上下和左右都不颠倒。
人教版物理教材八年级上册中，对平面镜成像的描述是“平面镜所成的像与物体关于镜面对称”。如下图，左面是物体正方形ABCD，中间是平面镜，右面是通过平面镜成的像A’B’C’D’（虚线轮廓表示虚像）。
用灰色箭头标示出物这边的左。以物的左为标准，物的A在B左边，像的A’也在B’左边，并没有左右颠倒。这里实际上是“前后”发生了变化。以A相对于D的方向为前，在物的一侧和像的一侧，“前”的方向是相反的。因此平面镜成像的特点可以描述为“前后颠倒”。如果我们分析像时以像的前为标准，A’就到了B’右边。这就是我们日常说的“左右颠倒”。前后颠倒不影响上下，所以上下不颠倒就不难理解。教材中没有使用“左右颠倒”这样的表述，是十分严谨的。我们对比凸透镜的成像就会明白。
凸透镜成像，经常画这样的光路图（这里只分析成倒立实像的情况，成正立虚像时不存在上下左右颠倒）。
图中的两个物都在凸透镜的一倍和二倍焦距之间，像都在二倍焦距之外，是倒立、放大的实像。用灰色箭头标示出物这边的上。以物的上为标准，物的A在D上边，像的A’在D’下边，这就是“上下颠倒”。以红箭头相对于黄箭头的位置为前，在物的一侧和像的一侧，“前”的方向是相同的。凸透镜成像中不存在平面镜那样的“前后颠倒”。
由于通常都是画这种平面图，左右的情况被忽略了。其实，凸透镜是球面镜，上下和左右是等价的。我们只要把整个光路以光轴为轴，旋转90度，光路图显示的就是左右的情况。
用灰色箭头标示出物这边的左。以物的左为标准，物的B在C左侧，而像的B’在C’的右侧，这就是“左右颠倒”。这种左右变化和平面镜的情况是相反的。如果把凸透镜说成是“左右颠倒”，那么平面镜就不能说“左右颠倒”，否则会引起混淆。这也是我认为教材中没有采用这种表述的原因。（当然，如果有的版本教材使用了这样的表述，也请以教材为准。从上述分析也能看出，这只是分析问题的角度不同）
对于光学成像，关键是理解成像原理，会画光路图。掌握这些后，上述问题都可以迎刃而解，不需要特别记忆结论。
参考资料：人教版物理教材八年级上册P78
by 老张
Q.E.D.