地球会漏气吗？| No.331
轮胎会慢慢泄气
篮球会越拍越瘪
那么地球上的大气层
作为一个靠引力束缚的气球
是不是也会漏气呢？
Q1
既然癌细胞可以无限增殖，那么是否可以作为某种食物来源？
by Richard
答：理论上可以，实际上不可行，但已经有使用干细胞的培植肉问世了。
理论上来说，癌细胞在全熟状态下是可以食用的，我们也在之前的问答中解释了为什么癌细胞和正常细胞都是可以作为食物来源的，参考（No.248Q）。
但在实际上，有很多限制。首先，癌细胞在处理过程中存在风险。大多数癌细胞（比如Hela细胞）的生物安全等级是2（大多数普通细胞的等级是1，炭疽、SARS的等级是3，埃博拉的等级是4），这意味着操作者需要防护，并在生物安全柜中进行细胞相关操作，相关废弃物和癌细胞本身也需要贴示生物危害标志。其次，癌细胞产品即使没有任何安全隐患，但在广告宣传上，会有非常大的劣势，有多少消费者会愿意买与癌症相关的癌细胞？
虽然癌细胞有限制，但是干细胞没问题啊。干细胞在合适条件下，同样也可以有序地进行无限增殖，并且可以进一步分化成其他细胞，形成相关组织，而且干细胞比癌细胞更安全。所以现在其实已经有公司利用动物的干细胞来增殖分化生成“培植肉”（Cultured meat），这种培植肉在理论上可以更集约、更高效、更环保地提供肉类产品，并且口感上也会比植物蛋白的人造肉更好。但是目前的生产成本还是太高，而且技术还不算成熟，只有有限的产品供应，并且也同样有着较大的舆论争议。
培植肉商品 | discovermagazine.com by 某大型裸猿
Q.E.D.
Q2
一片包装食品的铝箔，放入冰柜冷冻一晚上，但是温度变化却不明显。将它砸成一小块，在冰柜放几分钟，温度就变得很低了。这是为什么？by 火中送炭
答：提出这个问题的同学的感觉非常敏锐，需要肯定。但是问题中对“温度变化”的描述，却太依赖双手的触觉了。放在冰箱里的温度，最后肯定都被冻到零下十几度了，怎么可能“温度变化”不明显？真正发生的事情是，温度很低的铝箔纸，摸起来并不凉，但是温度很低的铝块，摸起来很凉。为什么会这样？
我们先回忆一下铝箔有多厚？
这是家用食品用锡箔纸（铝箔）的厚度——二十微米上下。太薄了，质量太少了，对应的热容也太少了。人的手刚轻轻摸上去的时候，就已经快速地把铝箔地的温度升高了，自然就“感觉不到”铝箔刚拿出冰柜的时候实际上是零下十几度这个事实。
by Luna
Q.E.D.
Q3
大气是靠地球的万有引力束缚在地球表面的，高空大气在不断减少，那么地球是不是在漏气？by 匿名
答：地球是在漏气。一个典型的漏气方式是金斯逃逸(Jeans escape)[1]，这是一种热效应导致的逃逸。简单地说，这是指气体分子的热运动速度超过了地球的逃逸速度，可以飞离地球。
大气中分子的速率分布可以被认为满足麦克斯韦分布律。对于一个容器中处于平衡态的气体分子，如果忽略外场，单个分子出现在容器中任意位置的几率相等，因此重要的是分子按照速度或速率的分布规律，这可以用麦克斯韦分布律描述。麦克斯韦分布律具有如下的形式
其中是分子质量，是分子运动速率，是温度，是玻尔兹曼常数，它的函数图像如下，横轴是速率，纵轴是该速率附近的分子所占比例。同种分子，温度越高，运动速度大的分子就越多；相同温度下，分子质量越小，运动速度大的分子就越多。
氧分子在不同温度下的速率分布曲线 | 图源：利有攸往 惰性气体在室温下速率分布曲线 | 图源 Maxwell–Boltzmann distribution 在室温下，气体分子的平均速率一般是数百米每秒，但是在分布最右端总存在少量分子速度超过了地球的逃逸速度(11.2km/s)，这些分子具有飞离地球的能力。
分子间碰撞构成阻碍分子飞离地球的重要因素。对于高度较低的大气，单位体积所含分子数目大，分子自由程短，分子之间很容易发生碰撞，少量速度超过逃逸速度的分子极可能因碰撞降低速度或改变运动方向，不能飞出地球。但是，在600km高度以上的散逸层，气体极为稀薄，自由程很大，不易发生碰撞，速度达到逃逸速度的分子容易飞出地球[2]。此外，散逸层温度较高(约1500K)[3]，并且不随高度变化[4]，这样的高温使气体分子逸出地球更为容易。
除了金斯逃逸之外，电荷交换逃逸也是一种漏气机制，这是指地球磁场束缚的高能带电粒子与中性气体分子碰撞，使分子获得很高的速度并飞离地球[1]。
参考资料：
[2] 秦允豪.普通物理学教程:热学.普通物理学教程.高等教育出版社, 2004.1
[3] "exosphere". Encyclopedia Britannica
[4] Bauer S, Lammer H. Planetary aeronomy: atmosphere environments in planetary systems[M]. Springer Science & Business Media, 2013.
by 利有攸往
Q.E.D.
Q4
我们平时在软件里清除的缓存是一些什么数据？
by 选我
答：首先说一说什么是缓存。
缓存(Cache)，在最初也是最狭义的定义下，指的是计算机CPU芯片中，为了方便CPU读取数据而在线路上最靠近CPU处设计的一个临时数据存储区[1]。由于硬盘的数据读写速度要远远小于内存条，而内存条的数据读写速度又远远小于CPU缓存，所以为了最大化发挥CPU性能，CPU缓存就至关重要了。
可以类比CPU是一个发动机，能转的很快很快的那种，而其处理的数据是燃料，缓存就是一个靠发动机最近的燃料供应箱，而且比内存条、硬盘这些燃料箱的管道都粗，输出速度更大，所以能更好地满足CPU这个转速极高的发动机的需求。
说完了狭义的缓存，下面说说广义上，也就是提问同学所说的软件缓存等，究竟是个什么东西。缓存这个词的广义含义为：以供软件或者硬件进行快速读取为目的而在计算机系统中所保留的一部分数据。
Cache | 图源 What is a Browser Cache? How Do I Clear It? - Ask Leo! 以我们最常用的微信为例，在储存空间这一菜单内，可以发现清理缓存的选项，如下图左所示，如果点击“前往清理”，则会发现如下图右所示的缓存项目：
Callo的微信缓存 | 图源 Callo 可以看到，缓存项包括了小程序、朋友圈等等内容。以小程序为例，例如我们打开微信跳一跳：
微信跳一跳 | 图源 Callo 可以看到这是一个游戏。然后我们就可以开始摸鱼（划掉），然后自然可以想到，为了愉快地游戏，这个塑料小跳人需要一个很精致的三维建模，同时底下不同形状的跳块也需要有多姿多彩的形状。但在第一次加载小程序前，以上这些精美的信息都存储在微信云端，为了让同学们在手机上能玩得开心，第一次打开小程序后，这些精美的模型就被下载到了手机本地。而为了让同学们以后每次想跳一跳的时候，都能立马跳一跳，而不是等十几秒重新加载这些精美模型，所以微信将这些模型下载下来后，其作为临时数据并不会删除，而是以缓存的形式存储到了小程序里。这样，以后每次开跳，都不用从云端重新下载跳块，而是直接更快地读取本地文件即可。
而其他类型的缓存，虽然其存储形式各不相同，但实际上所起的作用都是大同小异的。那如果有一天我不再跳了，然后又嫌这些缓存占地方怎么办呢？所以我们可以对这些缓存进行清理，来释放空间。
那如果我之后又在想跳和不跳之间反复横跳怎么办呢？那也无妨，重新进小程序，当其发现本地缓存被清理后，还会再次从云端下载一遍素材，以便同学们愉快地跳一跳（跳一跳的正常使用）。而由此可见，这也与微信中对于缓存的说明，“缓存是使用微信过程中产生的临时数据，清理缓存不会影响微信的正常使用”，是一致的。
参考资料：
[1] What Is Cache Memory in My Computer | HP® Tech Takes
by Callo
Q.E.D.
Q5
电流和电压可以单独存在吗？两个是相互独立的吗？
by 匿名
答：电压和电流是可以单独存在的。
实际上，两者只有在少数情况下有明确的依赖关系，最典型的例子是我们考虑电路的时候，比如著名的欧姆定律，即纯电阻元件上的电压和电流满足，其中是电阻。
电压来自于电场的存在导致的电势差，从电势差到电流还需要“较为自由”的带电粒子。否则，比如真空中的点电荷、未使用的电池、充电后的电容……都可以导致电压存在的同时，并没有电流的存在。
电流是电荷定向移动形成的，实际上，没有电压也能做到这一点，比如磁约束装置，通过强大的磁场将带电粒子束缚在环形真空腔中，这就可以形成电流；比如在导体中如果电阻为零，即超导体中，就可以存在电流而没有电压。我们对“电压导致电流产生”这样一个印象，应该是来自于电阻的存在，即一般导体中，运动的电子由于会与晶格碰撞从而损失能量，必须有电压的存在才能维持电子的定向移动。但是在超导体中，通过一些量子机制，可以无阻地传输电流。比如1957年，Qullins在Pb环中激发起几百安培的电流，在持续两年半的时间内没有发现有可观察到的电流变化。
磁约束示意图 by 小范
Q.E.D.
Q6
空间站宇航员使用的笔记本电脑是特制的吗？毕竟根据角动量守恒定律，散热风扇或机械硬盘工作的时候，电脑主体也会旋转。这个问题是怎么解决的呢？by 大绿耗子为谁沉沦
答：我们先来看看这个问题到底存不存在。高中课本万有引力一节曾提到，牛顿统一了“天上的物理”和“地上的物理”。在地上，风扇启动和停止时，电脑主体理论上也同样会因为角动量守恒发生旋转，然后靠摩擦力产生的力矩保持静止。手托笔记本工作时只能感受到重力的压迫而完全感受不到摩擦力的存在。所以风扇导致的笔记本转动基本上可以忽略。
如果认真估计一下，笔记本风扇的典型参数是：半径5厘米，扇叶总重量约10克[1]，转动角速度约，风扇从启动到稳定所用的时间大约一秒，这里我们”料敌从宽”，取加速时间。假设风扇做一个匀角加速的运动，按照外力矩提供角动量的变化，，并用圆盘转动惯量来估计扇叶，得到在离风扇轴处，只需要一个0.1N的力就可以抵消掉风扇的作用。相比之下，手机Type-C接口的拔出力要在8~20N，比摩擦力要大两三个量级！这么看，真的可以忽略风扇角动量的影响了。
如果真的还不放心，带一台有两个风扇并且转动方向相反的笔记本电脑上天，就真的没问题了。这种电脑，在电商平台也还是能找到的。
话说回来，虽然不用考虑风扇角动量的问题，但是上天的电脑在可靠性、保密性等其他方面，还是大概率与日常民用电脑不一样的。至于为什么不是全概率——我不是那台上天的电脑，我真的不知道
。 参考资料：
[1] 某风扇数据页
by 藏痴
Q.E.D.
Q7
现如今实验证实的最小粒子是什么？如果发现了新的粒子，可以自由命名吗？by 匿名
答：你可能听过万物是由原子构成的，而原子又由原子核和电子构成，原子核又由质子和中子构成，质子和中子又分别是由上夸克和下夸克构成的。到夸克层次为止，就已经达到目前人们对物质微观构成的认知极限了。
现行主流的粒子物理标准模型给出了十七种最小的基本粒子，分别是六种夸克、六种轻子、传递电磁相互作用的光子、传递强相互作用的胶子、传递弱相互作用的和、赋予粒子裸质量的希格斯玻色子。随着2013年大型强子对撞机（LHC)正式宣布发现希格斯玻色子，这十七种最小粒子都得到了实验验证，并且在现阶段大家都普遍接受它们是不可再分的最小的基本粒子。
标准模型中的十七种基本粒子 标准模型已经统一了强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。还有一种粒子叫引力子，负责传递引力，目前尚仅存在于理论中，还没有被实验证实。
如果你发现了其他的新的基本粒子，当然可以自由命名，比如我的话大概会起名“羊子”。但现阶段对撞机上发现的粒子大多是复合粒子，以多个夸克构成的共振态为例，今年六月底就新发现了四中子态，你可以想象它类似一个氦核，但它不是两个质子+两个中子，而是纯纯的四个中子。还有五夸克态，它已经有成熟的命名方式。例如，它的命名规则是含有粲夸克(charm quark)的五夸克(Pentaquark)，具有4380MeV的共振能量。
Q.E.D.
Q8
（修正）如果万有引力不是与r成平方反比，而是与r成一次正比，一次反比，平方正比，3/2次反比……相应的天体运动各会如何改变？by 何必如此
答：在两期前的问答中我们回答了这个问题No.329 Q4，当时写得太仓促，数值模拟时没有选取一个合理的方式修改这个幂律关系，出现了不太美妙的模拟结果。
有读者指出可以换一个单位制来改变幂律。这里我具体解释一下，如果我们以米作为长度单位，并且不修改万有引力常数的数值，那么，在把引力从平方反比变成一次反比时，太阳对地球的引力大小会放大倍。这就是模拟轨道中天体直接坠入太阳并突然拐弯的原因。
现在我们把长度单位换成天文单位A.U.，也就是以日地平均距离1.5亿公里作为长度的单位1。那么改变引力幂律时，地球受到的实际引力都不会变，而火星受到的引力就会发生变化。或者说，在米制的长度单位下，改变万有引力常数的大小使得日地引力大小不变。在这样的设定下，以平方反比的引力下地球和太阳可以形成圆周轨道为初始条件，画出来的轨迹就好看很多了。
平方反比 3/2次反比 一次反比 一次正比 二次正比 魔改后的天体轨迹对比 我在上次回答中提到伯特兰定理，定理的内容是，在一般初始条件下，有心力具有或的幂律形式时才能形成闭合稳定轨道。从上面的模拟情况来看，其他的幂律关系给出轨道会自发地“进动”，这在现实世界中只有受到其他天体的引力影响才会出现。而平方反比和一次正比的情况确实会形成闭合的圆或椭圆。
by 牧羊
Q.E.D.
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编辑：牧羊
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