为什么手机对屏幕拍照会五光十色？| No.408
用摄像头对准屏幕
似乎是看到“彩虹”的简便方法
五彩斑斓的条纹将会闪动
为照片蒙上一层梦幻和不羁
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Q1 打开老干妈等罐头时很多人习惯从底部拍一拍再拧，这有什么科学依据吗？
Q2 为什么手机对屏幕拍照会五光十色？
Q3 现在人类有能力和技术制造有实际意义的引力波么？
Q4 乌龟的脖子是什么结构，为什么能缩起来？
Q5 现在有可以储藏废热的材料吗？
Q6 左轮手枪为什么是6发呢，能不能更多呢？
Q7 没电的电池会比有电的电池更轻吗？
Q8 为什么不同金属电阻率不同，其微观本质是什么？
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Q1
打开老干妈等罐头时很多人习惯从底部拍一拍再拧，这有什么科学依据吗？
by 匪广告
答：很有用的生活小技巧！然而这件事儿更多是经验性的，并且难以做到百试百灵，也没有严格的科学实验来探讨这件事儿，我们可以对其起作用的原理做出一定推测。
为了放止食物变质，罐头通常会被抽真空密封保存，因此产生负压从而不容易被打开。作为一种最简单而且最方便的开罐方法，很多人会选择拍一拍瓶底再打开罐头。一方面，这种拍打本身带来的剧烈冲击，有助于在盖子和瓶子之间带来松动，从而降低打开所需的摩擦力，同时破坏掉罐头的密封状态；另一方面，拍打还可能会使罐头内部液体剧烈晃动，释放出少量气体，增大压强，当内外压强差减小时，就可以轻松打开罐头瓶盖了。
不过，有时候这样做并不安全，使劲儿太大可能导致杯子裂开，或者瓶盖飞出，使用专门的工具也是不错的选择~
by Sid
Q.E.D.
Q2
为什么手机对屏幕拍照会五光十色？
by 拜托一定要抽中
答：当我们把手机对着线条密集的物体或者电脑屏幕，会出现下面类似的奇怪条纹，就是摩尔纹。
根据香农·奈奎斯特采样定理，采样是以固定的间隔在原本连续的信息上进行取点，采样的频率必须至少是信号频率的两倍（蓝色），才能准确表示原信号。如若小于就会使得采样的信号失真（红色），发生混叠。
我们将这个理论反推到图像传感器的空间频率上，一个图象传感器能够分辨的最高空间频率等于它的空间采样频率的一半，而这个频率就称为奈奎斯特极限频率。假如我们拍摄的画面中含有空间频率较高的成分，超过了传感器空间取样频率的1/2（奈奎斯特极限频率），这两种频率信号就会形成混叠，从而形成摩尔纹。
但实际上我们的手机由于镜头、CMOS这种色彩滤镜的本身就会损失一些分辨率，所以可能空间频率还没到相机分辨率就已经模糊不清了。
那么我们要如何规避它呢？其实摩尔纹是否会出现，取决于屏幕被拍摄到的空间频率，也就是手机和屏幕之间的距离。通过计算我们可以很好的规避掉容易产生摩尔纹的区间。测量一下自己的电脑屏幕的宽度，然后除以横向像素数，就可以得到点间距。然后测量自己的手机对着屏幕产生摩尔纹的距离。根据这个基准，之后拍摄其他屏幕的时候，用。和分别是其他屏幕的点间距和产生摩尔纹的距离，只要避开这个距离区间，就可以规避摩尔纹。
我们如何利用摩尔纹？随着发展，也出现很多基于摩尔纹的包装技术，比如摩尔纹动画，即用一组平行排列的明暗线组成的光栅，利用人眼的视觉停留特性使静态的图像呈现出动态化的效果。感兴趣的话可以看看参考文献【2】。
参考文献：
亓文法,刘宇鑫,郭宗明.摩尔纹图案自动去除技术综述[J].计算机研究与发展,2024,61(03):728-747. 杨光,鄂玉萍,王家俊.基于摩尔纹生成规律的包装交互设计研究[J].绿色包装,2023(06):107-111.DOI:10.19362/j.cnki.cn10-1400/tb.2023.06.022. 这是什么？摩尔纹。 by 蓝多多
Q.E.D.
Q3
现在人类有能力和技术制造有实际意义的引力波么？比如三体中提到的引力波通信。
by 五谷丰登
答：引力波是物质和能量剧烈变化所产生的一种物质波。可能的引力源包括致密双星系统（白矮星、中子星或黑洞）的绕转、旋近或并合、超新星爆发、宇宙暴胀的遗迹等等。像这些致密双星并合过程所释放的能量，要远超太阳一生释放的能量总和，这么大的能量通常会集中在最后一秒内爆发，那一刻，整个宇宙中所有别的天体释放功率的总和都及不上它。那为什么我们在地球上没有感觉到引力波带来的拉伸和压缩作用呢？这是因为引力波波源距离我们非常遥远，到达地球的引力波强度实在是太太太小了。即便是致密双星并合时产生的引力波，除非你就站在引力波波源附近，否则引力波只会把你的身高改变一丁点——大约是一个氢原子的100亿分之一，这么细小的变化是根本感受不到的，只有借助超精密的探测器才能观察到。
换个思路想，如果不借助遥远的星体而是在地球上制造引力波又是否可行呢？答案是可以制造引力波，但根本探测不到。引力波的产生需要物体做变加速运动，且不能是完美的球对称运动（如扩张或收缩中的球体）或对称旋转（如旋转中的圆盘或球体）。例如，一个哑铃绕其对称轴（铁杆）做旋转，则不会产生引力波，但如果将其平置于地上，旋转轴垂直于连接哑铃两端的把手（类比于互相绕转的双星），则会产生引力波，但是由于哑铃的质量与致密天体相比实在是太小了，所以即使产生了引力波我们也感受不到。
虽然目前人类没有能力和技术制造有实际意义的引力波，但引力波的发现的确为科学研究打开了一扇全新的窗口。引力波有两个独特的性质：其一是不需要任何的物质存在于引力波波源周围，其二是能够几乎不受阻挡地穿过行进途中的天体。这使得引力波在天文探测、了解早期宇宙信息、测试广义相对论等领域发挥着重要作用。至于三体中提到的引力波通信，由于引力波的信号强度和变化十分微弱，且很容易受到外界干扰，因此尚且几乎不可能实现。
参考文献：
by Sid
Q.E.D.
Q4
乌龟的脖子是什么结构，为什么能缩起来？
by 苯巴比妥
答：乌龟的骨骼包括头骨、颈椎、背骨、腹骨、肋骨和四肢骨骼等部分。与其他动物相比，乌龟的骨骼相对较重，并且具有特殊的形态结构。尤其是乌龟的背壳和腹壳，也称为背甲和腹甲， 它们除次生退化外，一般分内外两层：外层是角质的，由许多盾片组成；内层是骨质的，由许多骨板组成。龟鳖类不仅脊柱与壳愈合，背甲也由骨板与肋骨愈合而成。
与其他所有的脊椎动物不同，龟鳖类的肋骨位于肩带和腰带之外。这使它能将头、四肢和尾部缩入壳内，在很大程度上保护了自身。现代的龟大多数都能把头缩进龟壳内。陆龟和海龟还略有不同。
陆龟是以直接把头部往回拉、然后把颈部弯成S型的方式缩进龟壳里的，因为它们的颈椎构造特殊，所以不觉得难受。这样的缩头方式要求龟壳有足够的空间放置头部和颈部，而海龟的龟壳相对扁平，没有足够的空间放置缩回龟壳的头部。所以海龟放弃了缩壳的防御机制，它的颈部短，缩不回壳内；此外，四肢也特化呈扁平状，宽宽的，同样无法收回龟壳内了。
龟类进化早期，由于头骨发展出两类滑车机制而分为侧颈龟亚目（pleurodire）和曲颈龟亚目（cryptodire），这两个类群独立地演化出了高度特化的颈部回缩方式。现代侧颈龟向侧面弯曲脖颈，尽管颈部不能缩入甲内，但能将头部折入边缘的甲壳下，具有相对较窄的颈椎，排布紧密的横向椎骨关节突。而曲颈龟则垂直弯曲脖颈，即颈部能呈S形折回甲壳里，颈椎较宽，且后颈椎常为双关节结构。
研究人员还对P. oberndorferi乌龟化石的两节颈椎与一节尾椎进行研究，发现尽管这种化石生物是一种远古的侧颈龟，它的脖颈特点却与曲颈龟惊人相似。研究认为，它将后颈椎部分垂直缩进壳中，通过极大地限制脖颈底部活动自由为了能够精确迅猛地控制头部向前伸展，从而提高捕食效率。
参考文献：
环科.乌龟缩头是为快速捕猎[J].科学大观园, 2017(11):2.DOI:CNKI:SUN:KXDY.0.2017-11-025. 独特的龟 乌龟缩头是因为胆小？我们可能都错了 by 蓝多多
Q.E.D.
Q5
现在有可以储藏废热的材料吗？
by 淼
答：有。北方城市冬季供暖目前广泛使用火电厂废热作热源，也就是用水储存发电产生的废热，并用于取暖。此外，热电材料也是一种典型的可以储存废热的材料。
热电效应指在材料施加热梯度（也就是一端热一端冷）时材料两端会产生电压，具有明显热电效应的材料可称为热电材料。很明显，热电材料可以将废热等热能转化成电能，并且相比传统制冷机具有体积小、质量轻、寿命长等特点。物理上，衡量热电材料性能的指标是无量纲的热电优值ZT，ZT值越大性能越好，一般认为ZT值达到3的材料可以具有较高实用价值。然而ZT值由多个互相制约的因素决定，难以大幅度提高。因此高性能热电材料也是凝聚态物理，尤其是量子材料领域一个重要研究方向。
同一种材料的ZT值往往随温度变化明显，因此对应不同的温度区间，需要寻找不同的热电材料。目前最著名的实用热电材料是Bi₂Te₃，它在约500K下具有ZT值约1.4[1]，已初步进行商用。
参考文献：
Tušek, J., Engelbrecht, K., Eriksen, D. et al. A regenerative elastocaloric heat pump. Nat Energy 1, 16134 (2016). by 藏痴
Q.E.D.
Q6
左轮手枪为什么是6发呢，能不能更多呢？
by 匿名
答：左轮手枪是手枪类的小型枪械，转轮一般有5-7个弹巢，也有高达10个弹巢的，是柯尔特通过改进前人设计发明的自动转轮手枪。转轮既是弹膛又是弹仓，最常见的是6个，故人们又把这种转轮手枪叫“六响子”。转轮手枪是手工装填弹药，子弹打空之后就得退壳或重新装填。最常用的是转轮摆出式，就是将转轮甩向左侧或右侧，甩向左侧的叫左轮手枪，甩向右侧的叫右轮手枪，但是，从古至今，右轮手枪基本上没有。
随着时代发展不同类型的左轮手枪层出不穷，手枪弹巢的种类也很丰富。笔者在这里简单介绍一下不同型号和弹巢的左轮手枪。
Ruger LCR（9mm）
鲁格LCR（9mm）具有内置式击锤，这使得手枪外形平滑，便于隐藏在衣物下，虽然标准的鲁格LCR（.38 Special口径）弹容量为5发，但.22LR（.22 Long Rifle）口径的版本弹容量为8发，这为射手提供了更多的射击机会而无需频繁装填。
Smith & Wesson Performance Center Pro 986（9mm）
Performance Center Model 986采用不锈钢材质，枪身表面更光滑，并能提高枪身的抗腐蚀性和耐用性。可拆卸式侧挂底座便于安装各种辅助装备。枪管长5英寸（127毫米），整枪总长8.7英寸（221毫米），发射9毫米子弹，弹匣容量7发。
Kimber K6s
新款Kimber K6s DCR双动左轮手枪是高端便携式左轮手枪，整枪拉丝不锈钢缎面，口径为.375马格南，双动模式，虽然弹容量为6发.375高能弹，却与大多数隐蔽携带的5发左轮手枪的转轮尺寸相差无几。
比利时三管左轮手枪
这种左轮手枪可容纳18发子弹，每次击发可发射3颗子弹，是一种非常独特的设计。它被称为世界上火力最强的左轮手枪，由于三管左轮手枪与生俱来的结构复杂、成本较高、质量体积较大、维护繁琐的弊端，始终未能得到突破，因此难以在军警界得到使用。
Ruger Redhawk
Ruger Redhawk 在设计和制造方面被认为是左轮手枪设计中的高成就之一，它非常坚固，使用最耐腐蚀的合金材料制造，并且没有使用侧板以增强框架强度。它提供不同弹容量的型号，有的型号弹巢容量为6发，而一些特殊型号如 .357 Magnum 的 Redhawk 甚至有8发的弹巢容量。
by 蓝多多
Q.E.D.
Q7
没电的电池会比有电的电池更轻吗？
by 林叶泉
答：确实不同，但是差异可以忽略不计。因为充放电时电池与外界交换只有电子（在电池正常工作的理想情况下，没有漏液跑气的问题），电子的质量是量级，因此相比于整块电池来说可以忽略不计。另一个角度是看能量的变化，我们知道电池放电是化学能转变为电能，根据质能方程，，能量的变化除以光速平方后得到质量的改变。由此估算出的质量变化也是可以忽略的。
by opzk
Q.E.D.
Q8
为什么不同金属电阻率不同，其微观本质是什么？
by protein
答：金属的电阻率主要和以下几个方面有关
电子有效质量；在晶体中，因为原子的周期性排列会改变原本的孤立原子的势场分布，形成周期势场，根据薛定谔方程求解电子的波函数得出布洛赫波，原子中独立的能级形成了晶格中的能带，不同能带的电子借助项的耦合导致晶体中电子的有效质量不同于自由电子的质量。而金属的电导率（电阻率倒数）与电子有效质量相关(其中指载流子密度，为电子带电荷量，为弛豫时间，为有效电子质量，和分别为电子迁移率和空穴迁移率。)：
载流子密度；不同金属的载流子密度也各不相同所以电阻率不一样。
杂质和缺陷；杂质原子和缺陷都会散射电子，改变电子的运动方向，在外场作用下电子的运动方向不会完全沿着外电场的方向，就会产生电阻，根据杂质的类型可以分为电离杂质散射和中性杂质散射，不同的类型下，温度对于迁移率的影响也不相同。电离杂质下迁移率与温度正相关，中性杂质下与温度无关。
声子；在任何有限温度下，晶格（也就是周期排布的原子核）都会在平衡位置左右震动，产生格波，每一种格波都是一个声子，声子也会散射电子，既改变电子的运动方向，也改变电子的运动速度。由于晶格的震动强度与温度相关，所以迁移率也同样受温度的影响，它与温度负相关。在较低温下，由于声子散射占主导，温度下降迁移率变大电阻变小。
以上便是金属晶体中电阻的微观解释，更详细的内容可以参考《固体物理》、《量子力学》、《高等半导体物理》等书籍。（其中涉及的推导过于繁琐、笔者实验人干不来理论物理学家的活TT，就不放啦）
by 蓝多多
Q.E.D.
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编辑：小范
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