昔日的地球霸主，真的被我们端上了餐桌？| No.306

Original Frions 中科院物理所 2022-08-25

收录于合集 #问答 295个

如果
鸡的祖宗是恐龙
却被我们搬上了餐桌
那是不是证明
我比恐龙还厉害？
鸡：你礼貌吗？
那么
鸟类跟恐龙到底什么关系？

Q1

有三脚架，就没有四脚架?

by 黑乎乎

答：
其实是有四脚架的，不太常见，题主可能没太注意hh。
野营四脚架|百度百科
然后回到正题，为什么三脚架这么常见呢？先解释一下大家比较常见的一个误区：我们在初中就学习到了三角形最稳定的说法，但同学们要注意一点，三角形不是三角架，三角形是平面图形中最具有稳定性的，而三角架是一个三维世界的形状，并不能仅仅用三角形具有稳定性就来解释为什么三角架比较常见，甚至大家可以观察一下三脚架和四脚架，它们的每一个侧面其实都是一个“稳定的”三角形，在结构力学分析中其实它们都是同样是具有稳定性的[1].(这里就不做具体展开了,感兴趣小伙伴可以查找结构力学的书籍)。那么三脚架常见的关键就在于架子与地面接触的情况：三个点确定一个平面。三脚架只需要三个落点就能在地面上站稳。可以想象当地面环境比较难以预料的时候，落点数目越少，就越能找到合适的稳定位置[2]。而对于生产商来说，三脚架的成本相比四脚架（n脚架）能产生同样的稳定效果，何必画蛇添足呢？是吧？
参考资料：
[1][1]王焕定祁皑. 结构力学(第2版)(普通高等院校基础力学系列教材)[M]. 清华大学出版社, 2013.
[2]肖晓阳.“结构与稳定性”教学问题探析[J].福建教育学院学报,2014,15(5):104-106128
by just_iu
Q.E.D.

Q2

汽车玻璃边缘的黑点点有什么作用吗？

by 猪猪酱

答：
我猜你说的是下图这种黑点点
这是个好问题，我小时候也曾经好奇过它们的作用。
仔细观察可以发现，黑点的大小并不相同，靠近玻璃边缘的会比较大，这并不是随意的布置，而是跟它们的作用——防止车窗炸裂息息相关。
玻璃车窗都是固定在金属窗框上，玻璃边缘和窗框紧密贴合。夏天烈日暴晒的时候，玻璃窗和金属框都会受热膨胀，但是玻璃和金属膨胀的程度却不同。相比于透光的玻璃，不透光的金属所吸收的阳光的能量更多，而且铁的比热容也小于玻璃，所以在同样环境下暴晒，金属窗框升温会比玻璃更明显。升温导致的受热膨胀程度与温度差成正比，其中，是加热后增加的长度，是未加热时材料本身的长度，则是加热前后的温度差。对于不同的材料，线膨胀系数不同，钢铁的要比玻璃的高。这样，暴晒时金属窗框的膨胀会比玻璃内部大，玻璃边缘在金属框的牵拉下随金属框一起膨胀。由于膨胀不均匀，玻璃中会产生应力，如果应力过大，就可能会导致玻璃碎裂。
相比于几乎完全透光的玻璃，完全不透光的黑点可以吸收更多热量，被暴晒时温度也会较高。因此最小的一排黑点可以让附近的玻璃膨胀程度略高于不贴黑点处的玻璃。随着黑点逐渐变大，玻璃温度也是逐渐变高，膨胀程度也缓慢增大，直到接近窗框处，膨胀的程度达到最大。这样就使得玻璃的温度是从边缘向中心逐渐降低的，有助于玻璃更加均匀的膨胀，防止玻璃内部应力过大造成车窗炸裂。
by 藏痴
Q.E.D.

Q3

大家都说氢气是新能源，没有大气污染。可是氢气是从哪里来的呢？如果说是电解水生成的，那么从能量守恒角度看，消耗掉的电能岂不是比燃烧后放出的热量更多？这样不就浪费能源了吗？

by 王奕博

答：
氢气确实需要通过人类自己的努力来获得。人类已经设想了很多获取氢气的方式，而电解水制氢确实是目前研究较多的一种方式。在制备氢气的过程中，也难免有能量损耗，不过值得一提的是，现在氢气的利用方式并非都是燃烧，氢气燃料电池的发展能够让氢能源具有相对较高的利用率。
而这一过程的能量损耗是否算是能量的浪费，主要取决于原来制备氢气的那些能量是否能够具有氢气一样的储能能力。目前，使用像风能、太阳能、水能这样的可再生能源来制备氢气应用较为广泛。这些可再生能源本身在储存上不太方便，能量密度也低，而且非常不稳定，毕竟现在天气等因素还是人类完全无法控制的。如果使用像普通电池一类的载体来储存能量，可能会造成更大的能量损耗，这也就造成了可再生能源的浪费。
图源网络
利用这些可再生能源电解水制氢一方面成本较低，另一方面弥补了这些可再生能源供电“随机性”较大的缺陷，方便了能量的储存，在一定程度上避免了可再生能源的浪费，也算是节约了能量。
说到底，能量虽然是守恒的，但对人类有用的能量却不是“守恒”的。
参考文献:
[1].李争,张蕊,孙鹤旭,等. 可再生能源多能互补制-储-运氢关键技术综述[J]. 电工技术学报,2021,36(3).
[2].赵永志,蒙波,陈霖新,等. 氢能源的利用现状分析[J]. 化工进展,2015,34(9).
by 飞行员
Q.E.D.

Q4

鸟类和恐龙的关系是什么？

by 匿名

答：
很遗憾，关于鸟类是否起源于恐龙，一直都十分具有争议，至今也没有定论。
细心的朋友们会发现，鸡鸭在行走的时候，有类似恐龙的姿态，其骨架也和博物馆里的恐龙有相似之处。早在1868年，有一位名叫赫胥黎的英国生物学家就意识到了这个问题。读者朋友们对赫胥黎不一定熟悉，但对达尔文一定有所了解。赫胥黎因倡导达尔文的进化论而被称为“达尔文的斗牛犬”，是达尔文的铁杆粉丝。这位坚定的进化论拥护者认为恐龙是鸟类的祖先。
恐龙和鸟类对比图图片来源：wiki
直到20世纪，海尔曼因为恐龙缺乏锁骨而否定了这一假说。上世纪70年代，奥斯特罗姆复兴了恐龙是鸟类祖先的理论。随后，在我国辽宁陆续发现了一系列有羽毛的恐龙化石。2011年在琥珀样本中又出现了白垩纪时期保存完好的羽毛。2016年邢立达在缅甸的一个琥珀市场发现了一种有羽毛的恐龙尾巴。这是琥珀中恐龙材料的第一个明确发现。有趣的是，这位传奇般的教授曾和同事一起吃下了一块西伯利亚出土的4000年前的猛犸象腿肉。
琥珀中的恐龙尾和羽毛图片来源：wiki
如今，越来越多的古生物学家们支持鸟类起源于恐龙的假说。
如果鸟类真的起源于恐龙，那么我们会发现一个非常有趣的事。那就是有一部分的恐龙并未灭绝，而是向鸟类的方向进化，直到几千万年后，被摆上了人类的餐桌。单单是鸡这一种鸟类，饲养的数量就非常惊人。全世界每年饲养超过500亿只鸡作为肉类和鸡蛋的来源。仅在美国，每年就有80多亿只鸡用于肉类，超过3亿只鸡用于产蛋。
炸鸡图片来源：wiki
昔日的地球霸主，阴差阳错间，竟成为了新兴地球霸主最流行的肉类食物。
参考资料：
Bird
Dinosaur
Chicken
Fried chicken
by YJY
Q.E.D.

Q5

为什么红色光和绿色光混在一起可以看到黄色光，而钢琴上的 do 和 mi 一起按下去却听不出 re 来？

by Baizh Wall

答：
因为人眼对频率的分辨不如人耳。
大多数脊椎动物（包括人）的视网膜只具有三种视锥细胞，它们分别称作长波（L）、中波（M）、短波（S）视锥细胞，分别对红、绿、蓝光敏感，而对其他频率的光的不再起反应。通过大量试验，人们总结出了LMS色锥细胞敏感度曲线。
LMS色锥细胞敏感度曲线 | 图源：知乎
一个570nm波长的光会同时刺激L和M视锥细胞，它们混合起来就给人黄色的感觉。而同时被600nm的红光和550nm的绿光刺激，也会产生同样的效果。那么想想看，用600nm的红光和440nm的蓝光刺激L和S，这时大脑会误认为这是介于红光和蓝光之间的绿光吗？
并不会，因为对绿光敏感的M视锥细胞没有应有的反应，所以大脑生造出了一种新的颜色——品红色。等等！为什么说它是新的颜色呢？这是因为，单色光谱里其实压根就没有这种颜色。换句话说，自然界并不存在一种叫“品红色”的单色光。它是人眼对红色和蓝色的复合效果产生的颜色，是一种复合色。
单色光谱 | 图源：知乎
不过要强调的是，你现在在屏幕上看到的光谱色并不是真正的光谱色，它因屏幕显色机制和算法的不同限制在下图中的某个三角形区域，真实的光谱色被带上屏幕后多少会有些偏差。顺带介绍一下，下面这个舌头形状是国际照明委员会制定的xyz色彩空间，舌根部分的直线代表不存在单色的品红色，而舌尖的曲线代表不同波长的单色。
cie-xyz色彩空间 | 图源：知乎
我们再来看看人耳，它分辨不同频率的声音靠的是耳蜗中不同位置的纤毛。耳蜗外侧的基底膜刚度高，能与高频振动共振，因此外侧的纤毛负责检测高频声音；耳蜗内侧的基底膜较软，负责检测低频声音。
耳朵的结构 | 图源：某医疗公司网站
这种随位置改变频率敏感度的手段比视锥细胞不知道高到哪里去了。所以当我们的耳朵进入do音和mi音后，re纤毛没有反应，会告诉大脑这是do和mi两个分开的音（或者说是一个和弦音）。就像前面提到的大脑不会把红色+蓝色变成绿色一样，而是会造出新的复合色——品红色。
放眼其他物种，鸟类有4种视锥细胞，皮皮虾有16种视锥细胞，对于它们而言，红色光和绿色光混在一起，就不会是和570nm的单色黄光一样，而会是另一种的奇特的“品红色”吧。
参考资料：
色彩空间基础-知乎
光谱渲染的几个例子-知乎
选择人工耳蜗时为什么声窗那么重要
by 牧鱼
Q.E.D.

Q6

太空中有大气压吗？如果有，这个大气压的值是多少？

by 匿名

答：
一般认为地球表面以上100公里左右是地球大气层和太空的分界线，我国天宫空间站的轨道高度大约400公里。但是离地表16000公里的高空仍然有稀薄气体[1]，所以按惯常的定义，（地球附近的）太空中是有大气的，因此也就有大气压。
NASA粗略地给出了距地面80km以内的大气压[2]。他们首先忽略重力加速度在不同高度上的差异，并假设大气是一种理想气体，然后根据几个不同高度参考点的气压和温度数据，假设相邻两个参考点之间温度呈线性变化，得出了气压公式，其中p代表气压，h代表距离地面的高度，代表相邻参考点之间温度随高度变化的斜率，g是地表重力加速度，R是普适气体常量。最后得到80km高度处，气温-86.15℃，气压0.37Pa（也就是标准大气压的倍）。再往上，NASA也没有给出温度变化的数据，没办法继续计算，但是可以通过下面这张图来示意性对照一下。根据下图左右两侧的坐标轴，在空间站轨道高度400km左右，气压只有大约~ ，接近地表大气压的百亿分之一了。
图源：[3]
在具有稠密大气的地球上空几百公里处，气压就已经几乎可以忽略，在真正广袤浩瀚的宇宙深处，气压就更是几乎为零了。
参考资料：
大气层
大力出奇迹的NASA
大气的垂直分层
by 藏痴
Q.E.D.

Q7

低温物体不能向高温物体传递热量，那为什么一个物体在任何环境温度下都能发射红外辐射呢？

by 匿名

答：
看起来，如果低温物体能够不断地辐射能量，它就能实现将能量向高温物体传递，我们或许便能制作一台永动的空调(x)。不过，这个问题的答案其实已经隐藏在题目本身了。
这里就先卖个关子，对此还有疑问的各位小伙伴可以再仔细看看题目，看有没有想明白。我们先对题目中的话做一个补充说明。所谓低温物体不能向高温物体传递能量，是在不产生其它影响的前提下，例如空调利用电能就能实现让本就更低温的室内降温。这句话是热力学第二定律的一种表述。另外，物体不一定只发出红外辐射，红外线只是各种辐射中一个特殊的波段，不过，根据维恩位移定律，我们在日常中所接触到的温度范围（-20℃-100℃）对应的辐射谱的大部分能量都集中在红外线的波段。如下图，只有当温度升高到四千多K（差不多就是四千多摄氏度）时辐射的能量才开始集中在可见光。
（图源网络）
回到这个问题本身，我们看看为何低温物体不能在不产生其它影响的前提下通过辐射把能量传给高温物体。既然任何物体都有辐射，高温物体自然也有辐射。观察上图，可以发现，随着温度的升高，物体辐射的强度也会增加。如果空间中只有这两个物体，那么“光路可逆”，如果低温物体的辐射到达了高温物体处，高温物体便能够以相反的道路辐射更多的能量。
那么如果在两个物体之间加一个“单向板”，让高温物体的辐射无法达到低温物体呢？我们不妨设单向板阻挡能量的形式是吸收掉一个方向的辐射（暂时不考虑如何实现），则单向板本身就获得了能量，产生了其它影响，这不违反热力学第二定律。
by 飞行员
Q.E.D.

Q8

为什么行驶中的汽车的前照灯的光速在行驶方向上不是车速+光速？

by 含光

答：
对这个问题的思考，是从经典的时空观走向相对论时空观的重要一步。
十七世纪牛顿力学体系建立，并在此后不断发展，取得了许多重要成果。这个体系包含了（但不限于）如下两点：在任何惯性系中观察到的物理规律应该相同；不同的惯性系之间时间和空间坐标的变换满足如下形式（以简单情况为例）
第一点称为相对性原理，第二点中的变换称为伽利略变换。很长时间以来，人们普遍认为，经典的牛顿力学体系是对自然的一种正确描述。问题中所提到的
也正是当时的人们期望看到的。
但是，在十九世纪末到二十世纪初的几十年中，人们发现事情并没有那么简单——牛顿力学和电磁学之间产生了巨大的矛盾！矛盾在何处呢？人们发现，从麦克斯韦方程组出发会推导出这样的结论——在任何惯性系中，无论产生电磁波的源以怎样的速度运动，真空中电磁波都会以相同的速度朝各个方向传播出去。这样的话，不管车子怎样运动，地上的人看车灯发出的光的速度总是相同的；同样的，如果在地面上发一束光，车上的人无法通过测量光速来判断车速：这与伽利略变换相矛盾。
如果认为麦克斯韦方程组不是普适的，只在某一特定惯性系中成立，就可以化解这个矛盾。换句话说，或许存在一个“绝对静止”的系，使光在其中沿各个方向的速度都相同。这样一来，就可以通过测量光在地面系中沿各个方向的传播速度，计算出地球的“绝对”速度。但是，人们做的所有实验均以失败告终——通过这种方式根本无法测出地球有什么速度。另外，人们还做出了其他的尝试，例如修正麦克斯韦方程组、引入“以太风”等，但是这些尝试均以与实验结果不符告终——麦克斯韦方程组是对的，人们也无法发现“以太风”。
在此期间，洛伦兹注意到一件奇怪的事——如果惯性系之间的时空坐标以如下形式变换
那么麦克斯韦方程组就会成为普适的，光在任何惯性系中的速度均是常数。终于，爱因斯坦在1905年指出，如果把相对性原理和光速不变作为两条公设，如果所有的规律均在洛伦兹变换下保持不变，这个矛盾就会迎刃而解。换句话说，需要改变的并不是麦克斯韦方程组，而是经典力学的定律！
在经历了许多波折之后，人们终于意识到，光速不变本身就是自然界的一条法则——任何惯性系下，真空中的光速都是一个常数，在这个意义下，没有哪个参考系是特殊的。
注：值得一提的是，关于爱因斯坦提出狭义相对论的缘由，他在1952年写道：“我走向狭义相对论的直接途径主要由如下信念决定，即在磁场中运动的导体产生的电动势不是别的，就是电场。但菲佐实验的结果和光行差现象也引导了我。”
参考资料：
[1] Einstein, A. On the Electrodynamics of Moving Bodies[J]. ANNALEN DER PHYSIK, 1905, 17(10): 891-921.
[2] FEYNMAN R P, LEIGHTON R B, SANDS M L. The Feynman Lectures on Physics [M]. New millennium ed. New York: Basic Books, 2010.
by 小小羊
Q.E.D.