为什么路灯灯光总是黄色的？| No.295
我想
没有人没见过路灯吧
那你注意过
路灯灯光的颜色吗？
为什么路灯总是发出黄色光
就好像
元宵节的圆月一样
Q1
热敏纸为什么能一划就出道子，不用笔就写出字？
by 墨墨
答：为了解决这个问题需要弄清两件事：一是热敏纸为什么遇热能显色，二是为什么划纸可以生热。
热敏纸的分层结构 | 图源自参考资料2 首先解释显色原理。普通热敏纸由作为衬底的纸基层和起主要作用的热敏显色层组成。如果在热敏涂层上再加一层保护层，便得到了具有更好的防水、防油和防摩擦性能的三防热敏纸。热敏纸按照显色原理可以分为物理型和化学型两种，区别就是显色过程是否含有化学反应。
作为热敏纸的购物小票 | 图源自网络 物理型热敏纸分为熔融透明型、熔融转印和热升华型等，主要利用了热敏材料受热后的物态转变。比如熔融透明型是在黑色基底纸上涂有非透明的蜡质层，局部受热后蜡状材料熔融变得透明，便显出基底的黑色。
热敏纸的分类示意 化学型热敏纸主要分为金属化合物发色热敏纸和无色染料双组分热敏纸两种。共性在于都是将作为反应物的组分融合作为涂层，局部受热后固态物质变为熔融态开始发生化学反应，从而显色。比如金属化合物发色热敏纸的反应物是基于脂肪酸的重金属盐和还原剂，而无色染料双组分热敏纸的反应物是含有内脂环的无色染料与显色剂。
有无划痕的热敏纸对比 | 图源自网络 而“划纸可以生热”利用的正是摩擦生热的原理。根据公式：
不难得到划动时的生热。其中是指甲与热敏纸之间的摩擦系数，为压力，为相对位移。
参考资料：
[1]刘映尧, 陈港, 唐爱民,等. 浅谈热敏纸的生产与技术[C]// 中国造纸学会新闻纸专业委员会2010年学术年会暨广东省造纸学会2010年学术年会. 中国造纸学会;广东省造纸学会, 2010.
by 云来叶落
Q.E.D.
Q2
人体的血压是80-120mmHg，而大气压是760mmHg，那为什么出现伤口时血液会往外流，而不是空气倒灌进血管？
by 匿名
答：血压是相对压强并且是相对于大气压的压强,而大气压是绝对压强,所以只要血压是正值都是比大气压高的。血压的实际的绝对压强是：测量值+大气压。比如早期老式的水银血压计竖直玻璃管的上端是开口的,其是受到一个大气压的作用的。
图1[3] 既然血压比大气压高这么多，那为什么不会喷射而出呢？
这是因为通常说的血压就是指动脉血压。而全身不同部位的血压有高有低。正常人左右臂、上下肢的血压也并不完全相同，通常以mmHg（毫米汞柱）作为测定单位，右臂比左臂血压高5-10mmHg，下肢比上肢高20-40mmHg[1]。广义的血压是指血液对血管壁的侧压力，可分为动脉血压、毛细血管血压和静脉压。循环血液之所以能从大动脉依次流向小动脉、毛细血管、小静脉和大静脉，是因为血管之间存在着递减性的血压差[2]。平时手破了，最多是皮下毛细血管破裂，而毛细血管中的血压是比较低的，并不会造成血液喷射而出。
参考文献：
孙洪国. 血压的形成与降压[J]. 解放军健康, 2017(5):1.
by freelance
Q.E.D.
Q3
为什么路灯的光多是黄色的而不是白色的?
by 匿名
答：主要是黄光灯（高压钠灯）真的很好用啊……
先简单总结一下它的优点:
在LED出现以前，白光灯主要是白炽灯，路等使用的黄光灯是高压钠灯。根据资料，高压钠灯的发光效率是白炽灯的几倍，寿命是白炽灯的二十倍，成本更低，透雾性也更好。此外人眼对黄色光比较敏感，并且黄色光给人温暖的感觉，这些都有助于减少夜间交通事故发生的概率。更粗暴一点说，就是便宜，好用，发光效率还高。
我们再来聊聊钠灯的缺点，毕竟如果缺点不符合路灯的需求，那么不管它有多少优点，都是会被一票否决的。
高压钠灯的主要缺点在于显色性差。显色性是光源的一个评价指标，通俗来说就是将光源的光投到物体上，显示的颜色与物体本身颜色的区别。显示的颜色越接近物体本色，光源的显色性就越好。白炽灯的显色性较好，可以用在家用照明等多种照明场景。但是钠灯的显色性比较差，无论照在什么颜色的物体上，看过去都是黄澄澄的。刚好合适的是，道路照明对光源显色性要求不高，我们在路上只要能发现远处有一辆车开过来，能辨别它的大小（形状）和速度就可以了，并不需要区分这辆车到底是红色还是白色。
因此，道路照明与高压钠灯几乎是一对“绝配”。路灯需要的优点钠灯几乎都有；钠灯的缺点也都可以被路灯所容忍。因此即使白光LED技术已经成熟，还是有大量的路灯采用高压钠灯。这样就可以把其他光源的产能用到更合适的使用场景去了。
by 藏痴
Q.E.D.
Q4
一间卧室多长时间不通气会使人窒息？
by 荆立典
答：可以简单的计算下，考虑一个高3米，面积20 平方米的卧室，气体总体积为60立方米。这堆气体里有21%为氧气。而人体消耗氧气的速率约为200毫升每分钟。所以一个卧室里的氧气总量理论上可以供人消耗40天左右，看起来是一个很大的数字。
但是一般情况下，人每次吸入的气体中氧气含有21%，人类的肺就是对着这个数值设计的。所以随着氧气含量的下降，人会感到难受，胸闷等缺氧症状，人类能坚持的实际天数肯定不到40天。所以，即使看起来计算出来的时间很长，也一定要注意开窗通风呀！
参考资料：
How Much Oxygen Does the Human Lung Consume?
by Luna
Q.E.D.
Q5
为什么每个力都有一个与它大小相等、方向相反的反作用力？是和能量守恒有关吗？
by Uptown Funk
答：当然是对称性...---打住！这可是牛顿总结出来的啊，那个时候的物理里哪知道有什么对称性啊！
我们将这个问题的答案稍微藏一下，先回到十七世纪，在略早于牛顿提出三定律的那个时代。那个时候的人们是如何理解“力”这个概念呢？彼时的物理学，万有引力的思想还尚未萌发，电磁相互作用的发现遥遥无期，更不要说强相互作用和弱相互作用了。人们所关注到的力，大部分都是弹簧的弹力、摩擦力、推力，这种类型的力...这些力，服从第三定律，在当时实际上是对实验的总结。也就是说，在那个时候，也没人真正知道究竟是为什么他们眼中的世界里“所有的力都符合第三定律”。
但是物理学经过了几百年的迭代已经脱胎换骨了，牛顿第三定律在相对论的情况下已经不恰当了，今日的理论物理学基础中也已经抛弃了“力”这个概念，所有的相互作用都通过粒子传播。而这些在不同物体之间传播相互作用的粒子，极其严格地服从动量守恒这一规则。一个物体损失了多少动量以释放出一个粒子，另一个物体严格的从那个被释放的粒子中获得相等的动量，两个物体组成的子系统在相互作用中保持总动量守恒，从这个原理可以推导出牛顿第三定律。
物理学就这么转了一个圈，在牛顿三定律（和高中物理）的时代，动量守恒是牛顿第三定律的一个推论，而到了今天，牛顿第三定律是动量守恒在经典极限下的一个特例。
by Luna
Q.E.D.
Q6
金刚石为什么是自然界最硬的物质？有什么物质比金刚石更硬吗？
by 匿名
答：金刚石也被称为钻石，是由碳元素组成的一种无色晶体，是自然界最硬的物质。自然界里的金刚石一般形成于地球内部高温高压的环境，随后被火山喷发等地壳运动带到地表。
金刚石结构 (图片来源wiki) 那么，金刚石为什么是自然界最硬的物质？在谈论这个问题之前，我想先说说其他物质相较于金刚石究竟差在了哪里。
石墨结构（图片来源 wiki） 首先是同样为碳的同素异形体的石墨，石墨拥有层状的结构，虽然层内由强力的共价键连接，但层与层之间却由微弱的范德华力维持。范德华力比共价键弱得多，通常其能量小于5kJ/mol，比共价键要弱2个数量级。因此，我们掰开石墨只需要破开它弱小的层间作用力即可。石墨的硬度也因此不高。
二氧化硅结构 (图片来源 wiki) 然后是与金刚石结构类似的二氧化硅，虽然既学到了金刚石的结构，还同样拥有强力的共价键，但二氧化硅的硅氧键是极性共价键，金刚石的碳碳键是非极性共价键。极性共价键由于既有共价性又有离子性，更易被破坏。举个通俗的例子，这就像两只狗狗在拖拽一块肉，如果一只狗比另一只强壮，就很容易将肉抢走，结束拖拽。但如果两只狗势均力敌，则会相持不下，维持拖拽的状态。
再看金刚石，其不仅由稳定的非极性共价键组成，所有的价电子都参与了共价键的形成，而且碳碳键键长短而键能高，其三维的构型也能够将外力分担到晶体各处。尽管有的物质拥有强力的共价键，有的物质拥有稳固的构型，但极少能像金刚石这样同时做到如此优秀的程度。
那么有物质比金刚石更硬吗？答案是有的，目前人类已经能够合成很多比金刚石更硬的材料了。例如用压缩富勒体合成的聚合钻石纳米棒，以及聚合物聚甲炔在1,000 °C氩气气氛下热分解而成的蓝丝黛尔石（Lonsdaleite）。值得一提的是，蓝丝黛尔石不仅可以人工合成，而且还是天外来客。其第一次被鉴别出，是在1967年美国亚利桑那州的巴林杰陨石坑。但天然的蓝丝黛尔石拥有杂质，硬度低于金刚石，如果人工合成则比钻石硬58%。
虽然人工合成的许多物质硬度已经能够超过金刚石，但其硬度受限于共价键的强度。如果有一种物质能够不依赖电子，只需要核子构成，那么它的硬度就能突破电子的限制。那就是水滴中子星。
一个快速旋转的中子星，使得周边气体X射线发光（金色）并且照亮星云 (图片来源wiki) 中子星是恒星演化到末期，经过引力坍缩发生超新星爆炸后形成的星体。电子被强大的引力压进原子核中，质子和电子将会因引力的作用结合在一起成为中子，泡利不相容原理则会维持中子星的稳定，阻止其进一步坍缩。中子星是宇宙中已知最刚硬的物体，它的杨氏模量比钻石还刚硬20个数量级。
参考资料：
by YJY
Q.E.D.
Q7
引力的本质是什么？
by イリヤ
答：今天是2022年2月17日，引力子还没有被发现，所以我们还可以说，引力的本质就是时空的扭曲。在现代引力理论中，“引力”恰恰不是一种“力”，这和初高中阶段我们学习的所有东西是矛盾的。
我们先思考一下引力的效果，比如绕着一颗恒星运动的天体，究竟是为什么会绕着恒星转动的？在高中阶段，我们的解释是，这个天体受到了恒星的吸引，吸引力提供了向心力，所以天体会做圆周运动。如果我们没有了“引力”这个概念，这个问题该如何解释？
我们来看看弯曲时空中物体的运动方程：
x是(四维)坐标，脑袋上加两个点的是(四维)加速度，加一个点的是(四维)速度。如果那一项为0，那么天体的加速度就为0，和不受力的物体完全一样。对于做圆周运动的天体来说，我们可以说项让天体有了加速度——这玩意儿不就妥妥的是“引力”吗，它起到了引力的效果。只不过在不使用广义相对论的情况下这个方程的 项长成另一个样子( )而已。
这个 叫仿射联络(听起来是一个很酷炫的名字)，它描述了矢量应该如何被平移。例如下图1中的，是一个平直时空中的平移，而图2则描述了是圆面上的平移。
图1 图2 粗略地说，对于均匀平直的坐标系，这玩意儿等于0，而对于弯曲的时空和坐标系，比如篮球的表面吧，这玩意儿就不为0。某种程度上我们可以说，这个仿射联络，就是引力的效应。
那么这个仿射联络是怎么来的呢？其实仿射联络“稍微组合”一下就可以和黎曼曲率R建立起关系：
这个R是由质量生成的，它直接刻画的时空的弯曲，它“稍微组合”就可以是著名的爱因斯坦场方程
里面的那个G了。
我们可以看到，相比较于牛顿时代的 ，现代引力理论绕了好大一截。先得弄出来质量，然后得到黎曼曲率，还需要求解仿射联络，才能求出引力的效应。看起来实在是麻烦得不行，公式巨复杂，哪里有科普里说的“简单优美”啊！
但是，这恰恰就是现阶段人类所理解的引力的本质——时空的扭曲。除了爱因斯坦场方程，那些奇奇怪怪的公式，都是四维弯曲时空上几何学的结果。
by Luna
Q.E.D.
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编辑：穆梓
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