不是说光速不变吗？在水里不就“变慢”了吗？| No.409

Original Frions 中科院物理所

2024-08-25

宇宙中的电磁波
大气中的极光
照射在水中的手电筒光
他们的速度是一样还是不一样呢？

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1.为什么温度低保存食物时间长？高温不是可以杀死细菌吗？
2.地震前指南针为什么会乱转?
3.为什么羊肉卷切出来是卷卷的?
4.为什么手机屏幕上有油的部分会出现彩色条纹?是因为波的干涉吗？
5.都说摔打火机会爆炸，这是真的吗？
6.光在从一种介质进入到另一种介质的过程中传播速度会发生改变，那么请问这个过程中光速是否是突变？光传播速度改变的原理又是什么?
7.为什么电磁炉不能用铝锅，铝锅不是也可以产生涡流吗？
8.从基因学上来讲，如果我父亲出生时是个女孩，我母亲出生时是个男孩，还能生出我吗？

Q1

为什么温度低保存食物时间长？高温不是可以杀死细菌吗？

by 丘山

答：
食物腐败的主要原因是微生物的繁殖，低温可以抑制微生物的生长，并且最大限度的保留食物原有的风味，所以冰箱是目前最常见的家用食品保存方式。
高温的确可以杀死绝大多数的细菌，如果设想的是持续性高温来保存食品，会面临其他一些问题：
首先是对食品风味的破坏，持续性高温会破坏食品的结构，失去原有的口感。而且加热产生的一系列副产物会改变食物的风味，这与烹饪中所追求的火候相悖。
其次是高温会使食物中部分物质降解，变性，甚至产生有害物质。这方面最为人所熟知的是梅纳德反应产生的丙烯酰胺和油脂在高温下的变质。
虽然持续性高温并不适合保存食物，但是短时高温灭菌叠加无菌密封包装，就可以在利用高温杀菌的同时减少对食物风味品质的破坏，这也是在食品工业中有着悠久历史和广泛应用的巴氏灭菌法的原理（其实UHT、高温高压罐头灭菌都是这个基本原理，只是温度和条件有改变）。
by 某大型裸猿
Q.E.D.

Q2

地震前指南针为什么会乱转?

by 柒拾一

答：
2008年汶川8级大地震前，地磁在极震区的变化引起了指南针不规则的扰动、偏转甚至转圈的异常现象。这表明：强震即将发生前，震中局部地区存在磁场紊乱和磁喷异常。临震前地磁场异常的发生机理，可通过压磁压电的实验和理论解释，Freunf的文献显示岩石受压会产生电荷极化，电荷运动产生电流，这种电流在岩石破裂前达到极大，为加压时的 34 倍；岩石受压区电荷会扩散至非受压区，同时地应力使得岩石压缩或者拉伸，影响其电导率。电导率的陡增，使得局部磁场突变。
大地震前地下流体的涌动使得孕震区断层、裂隙产生扩张和闭合运动，并产生出一定频率的磁波动。地下岩层的固有频率属性对磁振动频率发生共振响应，其强度随距离增加而迅速衰减，在大地震前表现为一种“磁间歇喷发”，类似物理学家特斯拉以小输入达到强输出的超级传输实验所反映的“特斯拉效应”；从而产生异常剧烈的地磁紊乱效果。
补充：其实地磁场是有四个组成部分，即主磁场、岩石圈磁场、变化磁场和感应磁场。传统的震磁效应分析多是以地磁基本场（主磁场与岩石圈磁场）为研究对象，同时主磁场占绝大部分，多数地震发生位于地壳和上地幔顶部，即岩石圈内。而根据笔者调查，以往的地震分析也主要利用主磁场占绝大部分的地磁基本场来分析震磁效应。
不过之后也有科研人员分析地震前后，岩石圈磁场的总强度、磁偏角、磁倾角与地震的对应关系。研究表明岩石圈的影响主要集中在震中附近，而在距震中较远区域反映不明显．同时，因地质构造及孕震机理不同，不同地区的震磁变化有着不同的表现形式和变化幅度。
参考资料：
Freunf Friedemann.Toward a unified solid state theory for pre - earthquake signals [ J] .Acta Geophysica,2010 , 58 ( 5 ) :719 - 766.
顾春雷,张毅,徐如刚,等.地震前后岩石圈磁场变化特征分析[J].地球物理学进展, 2010(2):6.
曾小苹,郑吉盎,王曌燚,等.震前特大地磁异常及其短临预警意义[J].中国工程科学,2011,13(04):48-53.
by 蓝多多
Q.E.D.

Q3

为什么羊肉卷切出来是卷卷的?

by 小玉

答：
羊肉卷作为涮火锅的必备单品，它凭借鲜美的口感和独特的风味赢得了许多食客的喜爱。下面我们从力学角度简单地分析为什么羊肉切出来大都是卷卷的。
平时厨房里用的刀一般为楔形，它的横截面呈倒三角形形状。可以想象，如果对刀施加一个向下的力，它的侧面同时会产生向两边挤压的力，冻的羊肉片受到挤压力后会产生弯曲形变，从而将羊肉切成了卷状。
掌握了切羊肉卷的原理就能够切出完整的羊肉卷了吗？其实并不是，切羊肉卷还需要把握好切羊肉的温度和肉卷的厚度。一般来说冷冻好的羊肉不要立刻去切，此时的羊肉太硬。在切的时候很容易会因为受力不均而碎掉，同时长时间切较硬的东西也会对刀片造成更多的磨损。
通常会把羊肉放在室温解冻一会再切，放久了也不行，完全解冻的羊肉非常软，切的时候自然无法成卷。另外，切出的肉卷不能太厚，否则刀口向两侧施加的挤压力太小，不足以让羊肉卷起，切出来的肉会呈片状。
by Sid
Q.E.D.

Q4

为什么手机屏幕上有油的部分会出现彩色条纹?是因为波的干涉吗？

by zsh

答：
在有油的部分上出现彩色条纹是因为波的薄膜干涉，因为当光入射到油膜时，他会分别从上表面和下表面反射出来，使得来自同一光源的两束光发生叠加，发生了干涉。他们的光程差为
n是指油膜的折射率，d是指油膜的厚度，对于不同波长的光来说，如果光程差等于波长的整数倍，就会发射干涉增强。如果是半波长的奇数倍，则是干涉相消，所以会出现不同颜色的干涉条纹。
大家如果细心观察，还会发现肥皂泡也是可以看到彩色条纹的，他也是薄膜干涉的一种哦，不知道有没有发现过捏。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q5

都说摔打火机会爆炸，这是真的吗？

by 匿名

答：
大多数便携式打火机使用液化丁烷作为燃料。丁烷是一种易燃气体，常温下以液态存储在火机内部的密封容器中。当打火机被摔在地上时，如果其外壳发生破裂（常见于塑料打火机），其内部的液态丁烷将迅速气化膨胀，从而产生高速的气流和外壳碎片，对周围的人造成伤害。
此外，一旦燃料泄漏，丁烷会迅速蒸发成气体，与空气混合形成可燃混合气。如果这种混合气体遇到点火源，如环境中的高温热源或金属打火机受撞击产生的火星，也可能发生燃烧或爆炸。
总的来说，虽然日常使用中摔打火机导致严重爆炸的情况较为罕见，但确实存在一定的风险。正确的使用和储存火机，避免将其暴露在极端条件或潜在危险的环境中，是预防意外的关键。
by 鱼非我
Q.E.D.

Q6

光在从一种介质进入到另一种介质的过程中传播速度会发生改变，那么请问这个过程中光速是否是突变？光传播速度改变的原理又是什么?

by 野生高中牲

答：
光进入介质速度会改变，可以用折射率来描述。但本质上光这种电磁波的速度依然是真空中的光速，而介质中变化的光速只是一种波叠加的等效效果。当光在介质中传播时，介质中的电荷会受到光的电场（磁场）的驱动，将以相同的频率来回摆动，从而辐射出新的电磁波。该电磁波和原光波频率相同，但是通常具有相位延迟，由于受迫振荡的电子不能及时跟上光场的驱动力。
以下基于偶极子的谐振子模型来讨论介质对光的作用，假设介质中电子被束缚在固定原子周围，在光场下发生位移，同时电子受到回复力试图回到平衡位置，则电子位移x满足微分方程：
为电子在其平衡位置附近振荡的本征频率；为光的频率。计算可得到方程的解，从而可得含有N个原子的介质的极化强度为：
由电磁学相关公式，极化强度满足公式：
其中为介电常数，为相对介电常数。所以可以得到折射率的表达式：
介质中光振动满足：
z为光传播方向位移，c为光速，所以光速变慢为c/n。
介质中的光波是原始波加上介质内所有电荷辐射的新电磁波的叠加效果。当原始光波和电荷辐射波叠加后，得到相位延迟的叠加波，当光波的频率不变时，光波的波长由于相位延迟而被压缩了，光经过一个周期的时间经过的距离变短了，所以得到光在介质中的表观波速变慢了。
图源：3Blue1Brown
参考资料：
【【官方双语】光为什么会“变慢”，又为什么跟彩虹的颜色有关呢？| 光学谜题 Part 3】
Refractive index
by 小线
Q.E.D.

Q7

为什么电磁炉不能用铝锅，铝锅不是也可以产生涡流吗？

by @曹芃静

答：
电磁炉的主要构件是一个缠绕成圆盘形的线圈。
我们知道通电导线周围能产生环形磁场，所以通上交流电的线圈能产生交替变化的磁场。因此通过电磁炉上放置的食物容器的磁通量发生了变化，产生了感应电动势，由于容器是导体，导体内部电子被感应电场驱动，产生涡流，从而产生热量加热食物。
电流为交流电时，导线中的电子分布存在趋肤效应，如下图所示，变化的交流电周围会出现方向变化的环形磁场，变化的磁场又会产生变化的电场，由于变化的电场在导线中心处和原电流的方向相反，导致中心的电子受到的阻力大，从而电子会分布在导体的边缘。同理，容器感应出的涡流也存在趋肤效应，是出现在容器表面的。
对于电磁炉烹饪，合适容器的底部通常由钢或铁制成。这些铁磁材料具有高磁导率，大大降低了趋肤深度，将电流集中在锅金属底部表面的一层非常薄的层中，减小了导体的有效横截面积，从而增加了其有效电阻，有效地加热了锅。而铝的磁导率较小，趋肤深度深（是铁的几十倍），能量转换效率低，加热非常缓慢，不适用于电磁炉烹饪。
参考资料：
Skin effect
Induction cooking
by 小线
Q.E.D.

Q8

为从基因学上来讲，如果我父亲出生时是个女孩，我母亲出生时是个男孩，还能生出我吗？

by 狐汁

答：
结论是不能。多方面原因都决定了这一点，这里只挑一些浅显易懂的来解释。
首先是受精过程，成年男性会在一次交配过程中释放上亿的精子，通常只会有一个幸运的精子会和卵子结合形成受精卵，因此特定精子形成受精卵的概率只有数亿分之一，买注双色球中头奖的概率都比这个高千百倍。所以从概率的角度，即使性别不变再来一次，生出你的概率也是极小的。
然后是母系遗传，受限于精子的结构，受精卵中线粒体基因组全是来源于母亲，所以当你父母颠倒后，你继承的线粒体基因组也会变化，来源从外婆变成了奶奶，自然也不会再是现在的你。
还有环境，“性状=基因+环境”，当你父母性别颠倒之后，他们的成长环境会发生截然不同的改变，这会导致性状变化，而且变化还会遗传给子代（表观遗传学），所以还能产生你的概率也是基本为零。
如果提问者是个男性，这个问题就更简单了，本来你继承的是爷爷的Y染色体，变化后你继承的是外公的Y染色体，染色体不一样不可能生出原来的你。
那如果提问者是个女性呢，回答也是不可能。因为无论男女，减数分裂过程中还有重排和交换，DNA复制过程中还有突变，这么多变量叠加，还能产生你的概率也是无限接近零。
by 某大型裸猿
Q.E.D.