现在天气这么热，可以像暖气那样集中供冷吗？| No.322
这两天真是热到让人崩溃
马路都能煎鸡蛋
长江都晒到干了旱
离了空调分分钟见汗
那除了空调
有没有可能像供暖一样
集中供冷呢
Q1
空调水里面有什么？
by Yumyulack
答：里面主要是水，但有可能还有细菌、灰尘等，所以空调水一般谈不上干净，完全无法饮用。
空调水来自于空调内机的蒸发器，在这里，低温低压的制冷剂液体蒸发为制冷剂气体，由于这个过程吸热，因此可以吸收室内的热量，这是空调制冷的原理的一部分。当制冷剂蒸发吸热时，蒸发器表面温度会降低，室内的水蒸气在这里凝结，汇聚成小水滴，被收集后排出，这就是空调水。
从原理上来看，空调水似乎没啥不干净的地方，其实不然，空调水可能是很脏的，因为空气中的水蒸气很难说是干净的。空气中夹杂着大量可吸入颗粒物、细菌、病毒等，同时，空调向室内送风也可能激起扬尘，溶解在空调水里，当然，家里应该不至于有浮尘。而蒸发器本身长期保持潮湿状态，也很容易滋生细菌，尤其是如果家里没有定期清洗蒸发器，上面的“住户”就更难以想象了。综上，空调水远远没有你想得那么干净，完全无法饮用。
参考资料：
by 霜白
Q.E.D.
Q2
为什么那么短的手机镜头能有数十毫米的等效焦距？等效焦距跟实际焦距有什么关系？
by 匿名
答：为了明确问题，我们先重新复述一遍这个疑惑的点在哪里。所谓镜头的短，是放置透镜的框架短。而镜头的焦距是指，我向透镜入射几束平行光，它们经过折射后汇聚的点离透镜的距离，这由透镜的凹凸程度决定的。这两个长度是有关系的，因为初中物理告诉我们，凸透镜成实像的像距在一倍焦距外，要想让手机镜头所成的像清晰地打在传感器上，也就意味着我需要与焦距相当的空间来放置透镜和传感器。
那么问题来了，不到1cm厚的手机，是怎么塞下几十毫米等效焦距的透镜的？其实这是因为等效焦距并不是实际焦距，手机镜头的实际焦距当然依然是几个毫米，相当于它到传感器的距离。当然也有手机做成了潜望式镜头，可以把实际焦距拉长到十毫米以上。
潜望式镜头示意图 而等效焦距，它代表的其实是用来表征镜头的拍摄角度范围的参数。一个相机模组的拍摄范围由透镜焦距和传感器大小决定，传感器越大、焦距越短，拍到的范围就越广；传感器越小、焦距越长，拍到的范围就越窄，也就是画面放得越大。等效焦距就是把传感器大小统一成35mm全画幅传感器的尺寸，然后保持画面范围不变，看所需要的透镜的焦距有多长。
相同焦距，不同尺寸传感器对应的成像范围不同 举个例子，某手机厂商宣传它的主摄等效焦距为30mm，意思就是这颗镜头所能拍摄到的画面范围等效于用30mm焦距的镜头和35mm全画幅传感器（36mm×24mm）拍摄到的范围。而如果手机的成像传感器的实际尺寸是1/1.7英寸（7.83mm×5.22mm，因为奇妙的历史原因摄影界的1英寸=16mm），那么由比例关系可知实际焦距为30÷36×7.83=6.525mm，还是可以直接塞进8.6mm厚的手机里的，实在塞不下就让摄像头稍微突出来一点嘛╮(╯▽╰)╭
而如果手机厂商又宣传它有一颗等效焦距120mm的潜望式长焦镜头，使用了1/2英寸（6.66mm×4.44mm）的传感器，那么实际焦距就是120÷36×6.66=22.2mm，这种长度就不是摄像头突起能解决的了，得得把光路折一下，让它躺着射进传感器，这也就是“潜望”的意思。
by 牧鱼
Q.E.D.
Q3
我有一个神奇的问题: 为什么南方地区没有集中供冷？因为不管从哪个方面来看，这似乎都是效率更高的解决方案。而且相比北方的集中供暖，供冷的热量损失应该在同距离下更小啊？
by Mithrandir
答：有趣的设想！而且从与环境温差的角度来看，在理论上，供冷的热损确实比供暖小。现在深圳、珠海、武汉、济南等市也已经把这个设想变成现实了[1-3]，具体做法和暖气管类似，只是输送的东西由热水变成冷水。
武汉中法生态城集中供冷和供暖示意图 | 图源[3] 但是为什么集中供冷来得这么晚？从研发端的角度来看，研发出集中供暖的发达国家基本都在温寒带，处于热带的大多还是发展中国家，研发水平有限。另一方面，供暖或供冷的都是液态水，它的温度受限在凝固点和沸点之间。一般入室热水的温度可以达到75℃，回流后降至50℃[4]；而供冷的水入室一般是5℃，回流后升至13℃[3]。可见供冷的效率是不如供暖的，要想达到“夏凉”的效果，水流量得是达到“冬暖”效果的两三倍。
不过，集中供冷所消耗的资源比单户使用空调要少。在节能减排的大趋势下，相信这项技术会不断推进，逐渐造福更多的人。
参考资料：
前海世界级“大空调”24小时集中供冷--政务动态 (sz.gov.cn)
国家标准：供暖散热器散热量测定方法|GB/T 13754-2017
by 牧鱼
Q.E.D.
Q4
手机屏幕怎么识别出指关节触碰？
by 绿旋风⚡️
答：指关节触控技术早在2012年就由硅谷的Qeexo公司发明出来了。当时的方案是，在屏幕中内置声学感受器，通过测量不同物体碰撞屏幕产生的振动幅度，来判断是指肚、指甲还是关节在敲击屏幕。
2015年，华为和这家公司达成了合作，开始在手机屏幕上大力推广这项技术。在他们公布的专利文件[3,4]中，详细介绍了指关节和指肚敲击屏幕的音频区别。每次发生触屏事件时，手机都会收集这一事件伴随的声音和振动，分析它们的频谱，并与内置的声音频谱对比，就能分辨出是哪个部位触碰了屏幕。
指肚、指尖、指关节、指甲敲击屏幕所发出声音的频谱图 | 图源[4] 你可以看到，在频谱图中指肚的声音偏低沉，指关节的声音更尖锐。此外，指关节和指甲的声音频谱很相近，所以在早期算法还不够聪明的时候，确实很容易把指甲的触碰误识别成指关节。
值得一提的是，在Qeexo公布的方案中，还提到了用触摸面积和力度来辅助识别。不过这一点在华为公布的方案内没有提及。
现在你知道这个原理后，可以尝试骗骗你的手机，比如在用指肚触摸屏幕的同时用另一只手的关节碰手机的后盖或边框，或者用指甲用力地磕手机屏幕，又或者在旁边放另一台手机，用指肚触摸本机屏幕的同时，用指关节碰另一台手机……欢迎在评论区分享你们的整蛊手机心得[doge]
参考资料:
用于双指关节触摸屏控制的系统和方法 专利公布号CN107924280A
Using Capacitive Images for Touch Type Classification 专利公布号US 2015/0242009 A1
by 牧鱼
Q.E.D.
Q5
为什么我们看到的云朵大多是下面平的，上面是隆起的？
by 南方
答：这种底部偏平，顶部隆起的云叫积状云，我们在No.314 Q4中介绍过这种云，已经没有印象的同学可以点进去再复习一下。不过当时是按云层高度划分的，现在我们重新按云的形态来划分。相对应的，形状纤细，上下端几乎差不多的被称为层状云。
层状云的形成 | 图源[1] 积云之所以底部较平，是因为大气中有一个叫“抬升凝结高度”的东西。地面的水蒸气比空气轻，在它上浮的过程中，气压降低，体积会逐渐膨胀，这种膨胀对外界做功，自身温度就会降低。此外，大气温度也是随着高度的升高而降低的。这样水蒸气会不断冷却，到某一海拔高度后，温度就会下降到对应气压下的水的凝固点，于是就齐刷地液化成小水珠了。
抬升凝结高度的示意图 | 图源[2] 至于顶部的隆起，则是水汽与附近的干空气发生强烈对流导致的。在没有强烈对流的情况下，就会形成顶部也比较平整的层状云了。
参考资料：
Why Are There Clouds? - YouTube
by 牧鱼
Q.E.D.
Q6
除了平面镜，还有可以完美成像的光学系统吗？
by 偷吃狗狗的骨头
答：目前没有。
成像的光学系统可以分成平面镜反射和透镜折射两大类，再独特一点的还可以开一个直射的小孔成像和干涉的全息成像的小分类。在平面镜反射的类型中，凹面镜和凸面镜显然都会产生像哈哈镜那样的畸变，只有平面镜可以严格地完美成像。在透镜折射的类型中，光线会不可避免地色散从而产生色差，还会有球差、彗差、像散、场曲、畸变，总有一款让折射式的光学系统变得不完美。小孔成像中，只要孔的大小不是无限小，就必然会发生弥散。全息成像中，不同颜色（波长）的光的干涉效果是不一样的，所以目前比较成熟的全息成像还是得用单色激光实现，另外，再现光在全息干板的自干涉也是无法避免的，这些都会产生像差。
我们再来看看刚刚提到的透镜成像系统中的像差具体是怎么产生的。
透镜的七种像差 | 图源中山大学应用光学课件 球差：光轴上一点发出的不同倾角大小的光经过透镜后没有再次汇聚为一点，而是汇聚成同心圆；
彗差：光轴外一点发出的不同倾角大小（相对于透镜中心）的光经过透镜后没有再次汇聚为一点，而是汇聚成偏心圆，共同组成类似彗星的形状；
像散：对于光轴外的一个点光源发出的光，即使倾角大小一样，只要倾斜方向不一样，它们的汇聚点也依然不一样，横向倾斜的光的焦点和纵向倾斜的光的焦点之间的距离称为像散。
场曲：之前考虑的都是单个点的成像的偏差。场曲考虑的是一个平面状的物体，它上面的点经过成像后不再保持在一个平面上，而是会在不同像距处成像，形成曲面。用平面传感器来接收它，会发现各点不能同时清晰成像。
畸变：离光轴不同距离处的点，即使能够清晰成像，像的放大率也不一致。
色差：光轴上的点发出的不同颜色的光会成像于不同位置，形成位置色差。光轴外的点发出的不同颜色的光在成像后与光轴的距离也不同，形成倍率色差。
透镜有这么多的debuff，看来还是平平淡淡的平面镜才是真呐。
by 牧鱼
Q.E.D.
Q7
根据德布罗意物质波的理论，人是不是也能发生衍射？
by 能量守恒
答：理论上可以，但是超出了人类探测能力的极限。
根据德布罗意关系可以估测人的物质波波长。为了计算简单，假设人体重66.26kg（数据合理，但好奇怪），运动速度10m/s，那么根据德布罗意关系式，得到人体的物质波长。作为对比，一个原子的直径大概在，而人类迄今建造的最灵敏的空间分辨装置——探测引力波的激光干涉引力波天文台（LIGO）——的探测极限能力在。也就是说，对于目前人类制造的任何探测器，人的位置就是一个精确的读数，不存在什么概率分布。
在高中物理的练习题中，应该提到过各种典型物体的物质波长。稍微宏观些的实物粒子，物质波长都完全可以忽略。目前能被人类真正看到物质波的物体，最大大概是这类“稍大一些”的分子。
参考资料：
by 藏痴
Q.E.D.
Q8
量子纠缠为什么可以超过光速？
by 九
答：量子纠缠可以"超过光速"，因为它不是相互作用，也不传递任何信息。
我先举一个不物理的例子。你的笔筒里有一红一蓝两根笔，随手拿了一根塞进兜里然后打了个飞船去了冥王星，到后你往兜里一掏发现是红笔，于是你瞬间就知道，哦，蓝笔还在笔筒里。但此时你距离蓝笔有几十亿公里，这是不是超光速了？
如果你理解了上面的例子，我们再用物理的方式来讲这个问题的时候就会变得容易一些。在多粒子体系中，如果无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，就称其为纠缠态。比如两个粒子，每个粒子都有0和1两种状态。现在我们让它们处于这个纠缠态，这时我们会发现，没办法单独描述a或者b的状态，因为如果a处于态，那么b也处于态，二者是关联的，所以我们说它们处于量子纠缠态。如果这两个粒子分别处于地球和冥王星上，冥王星人观测了粒子b，发现它处于态，于是知道地球上的粒子b也处于态，但这不是相互作用，也不能传递任何信息。因为无论是冥王星人还是地球人，在观测之前都不知道粒子是否已经被对方观测过，是否仍处于纠缠态，而量子纠缠态又是无法复制的。所以这和上面红蓝笔的例子其实是一样的。地球上的人不会因为你在冥王星发现兜里是红笔就知道你把蓝笔忘在了家里。
也就是说，量子纠缠不属于相互作用，不能传递信息，甚至与距离无关，你可以说它是超光速的，但这个超光速并没有实际意义，它只是告诉我们量子是非定域性的。相对论只是说，有质量粒子的速度，以及相互作用的传递速度不能超过真空光速。所以量子纠缠这个超光速并不违背相对论。顺便一提，量子纠缠可以用来传递量子态，但仍依赖经典的信息传递方式，且传递后原有的量子态会被破坏。感兴趣的读者可以去了解一下量子隐形传态。
by fiufiu
Q.E.D.
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编辑：穆梓
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