眾所周知
鴿子是一種靠磁場導(dǎo)航的動(dòng)物
除了鴿子外
還有其他動(dòng)物具有這種能力嗎？

Q1

光具有波粒二象性，同時(shí)也沿直線傳播，所以為什么兩束手電筒對照不會(huì)形成粒子對撞機(jī)的效果？

by 匿名

答：

因?yàn)槟芰坎粔蚋摺９庾拥哪芰恐蝗Q于光波的頻率，手電筒的光大多落在可見光波段，即使按能量最高的380nm藍(lán)紫光來算，一個(gè)光子的能量也才3.27eV。要想對撞出最輕的費(fèi)米子——電子，光子的能量至少要達(dá)到0.51MeV，換算回波長就是2.43pm，落在γ射線波段。

by 牧羊

Q.E.D.

Q2

眾所周知摩擦生熱，那么在一個(gè)瓶子里邊放上一點(diǎn)水，一直搖晃，水會(huì)不會(huì)燒開或者變熱？

by crazy

答：

會(huì)變熱，甚至有可能燒開，但瓶子要盡量絕熱。搖晃瓶子增加水的動(dòng)能，由于摩擦力存在，動(dòng)能將逐漸減少并轉(zhuǎn)化為水(或許也包括瓶子和空氣)的內(nèi)能，于是水的溫度就升高了。但是水可以通過瓶子向外面的空氣傳熱，也可以蒸發(fā)帶走熱量，搖晃給予水的能量很快就被空氣帶走了，人們難以觀察到水的溫度上升。

如果我們選擇絕熱的瓶子，用更大的功率搖晃或者攪拌瓶中的水，則可觀察到溫度升高。事實(shí)上，著名物理學(xué)家焦耳就曾做了類似的實(shí)驗(yàn)來測量熱功當(dāng)量。他在裝水的瓶子里安裝有槳葉，使一重物下降牽引繩子通過滑輪帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)，攪動(dòng)瓶中的水，水受到攪動(dòng)溫度升高，測量水的溫度升高量，可以計(jì)算出水升溫所需的熱，比較重物下落的功和水升溫所需的熱之間的關(guān)系，就得到了熱功當(dāng)量。

by 利有攸往

Q.E.D.

Q3

除了鴿子，還有哪些動(dòng)物能利用地球磁場辨別方向？

by 匿名

答：

磁場感受能力在生物界不算太罕見。部分鳥類、海龜、魚類和兩棲類，都可以通過感受磁場的極性，以及磁場的傾斜角度，作為磁感羅盤的參考方向[1]，從而利用地球磁場辨別方向。除了鴿子，大家比較熟悉的海龜、鯨魚、鼴鼠這些動(dòng)物，也可以利用地球磁場進(jìn)行導(dǎo)航。例如，海龜可以讀取它們出生地周圍的「地球磁場圖」，并將這些「數(shù)據(jù)」牢記在大腦里，因此懷孕的海龜能夠找到幾十年前出生時(shí)的海灘來產(chǎn)卵。

遺憾的是，目前沒有比較可靠的證據(jù)表明人類會(huì)有這種能力。不過有研究顯示[2]，人身上是具有“磁性傳感器”的，而且在正常工作時(shí)向大腦發(fā)送信號，但是，這種能力在絕大部分人身上要么非常微弱，要么藏在了潛意識深處。也許這就是人類潛意識中一種未知的“第六感”吧。

參考資料：

1. Mouritsen, H. Long-distance navigation and magnetoreception in migratory animals. Nature 558, 50–59 (2018).

2. Wang CX, Hilburn IA, Wu DA, et al. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from alpha-Band Activity in the Human Brain. eNeuro. 2019;6(2):ENEURO.0483-18.2019.

by Childe

Q.E.D.

Q4

從地球的北極一直到南極打通一個(gè)洞，從北極扔一個(gè)石頭下去會(huì)怎么樣？

7元船長

答：

會(huì)熔化。

從南極到北極的這條洞會(huì)通過地心，地心溫度據(jù)估計(jì)可達(dá)6000℃；由于洞的存在，壓強(qiáng)就是大氣壓。這樣的條件下巖石以巖漿的形式存在。

如果忽略溫度，只考慮引力導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)，那么在北極自由釋放的石頭會(huì)在南極地表處速度剛好變成0，然后再掉回北極，往復(fù)簡諧運(yùn)動(dòng)。把地球看作密度均勻、半徑為R的正球體，當(dāng)扔進(jìn)去的石頭離地心距離為r時(shí)，只有半徑為r的球體對石頭有引力作用。外面厚R-r的球殼對石頭的引力會(huì)互相抵消，嚴(yán)格為零。所以合力＝＝正比于位置r，并且方向與r相反，是一個(gè)簡諧力。

by 藏癡

Q.E.D.

Q5

為什么是相似相溶，而不是相似不相溶？相似相溶的原理是什么？

by 昆明第一中學(xué)熊亞亨

答：

兩種物質(zhì)A和B互溶的過程，本質(zhì)上是構(gòu)成A和B的微粒（分子，原子或離子）克服自身內(nèi)聚力，相互之間形成鍵聯(lián)的過程。以分子化合物為例，判斷兩種分子化合物A和B是否易于相溶，需要比較A-B分子之間的相互作用強(qiáng)度，是否與A-A分子之間以及B-B分子之間的相互作用強(qiáng)度相當(dāng)。若A，B兩種分子結(jié)構(gòu)以及化學(xué)性質(zhì)相似，則這一條件通常得到滿足，兩種物質(zhì)也就易于相溶。

例如，甲醇分子和水分子都是極性分子，且都具有攜帶孤電子對的氧，相互之間能夠形成氫鍵，因此相互作用強(qiáng)度：甲醇分子-水分子≈甲醇分子-甲醇分子≈水分子-水分子，兩者也就能夠以任意比例互溶。與此相對的，乙烷分子和甲醇分子具有相同的分子量，但其為非極性分子，乙烷分子間的相互作用是色散力，乙烷分子-水分子間的相互作用是色散力和誘導(dǎo)力，相互作用強(qiáng)度：乙烷分子-乙烷分子乙烷分子-水分子水分子-水分子。當(dāng)乙烷分子向水中擴(kuò)散時(shí)，其與水分子的相互作用，不足以破壞水分子間的鍵聯(lián)，因此乙烷僅能微溶于水。

by 樂在心中

Q.E.D.

Q6

癢的本質(zhì)是什么？為什么撓完之后就不癢了？

by h

答：

我們感受到的癢是通過神經(jīng)元感知的，作為身體屏障的皮膚不斷受到細(xì)菌、病毒、化學(xué)物質(zhì)和其他刺激物的侵襲，皮膚上有一組獨(dú)特瘙癢感受器神經(jīng)元，這些瘙癢感受器神經(jīng)元在許多方面與遍布身體的其他感知疼痛、氣味和其他感官的神經(jīng)元相似，能夠檢測到這些刺激。

細(xì)胞在遇到刺激物后釋放的化學(xué)信號，會(huì)引起后續(xù)的血管擴(kuò)張、炎癥信號等，讓更多的免疫細(xì)胞進(jìn)入皮膚表層，從而產(chǎn)生瘙癢腫脹等不適，之后通過神經(jīng)元向大腦發(fā)送刺激警報(bào)。

抓撓就屬于一種外界刺激類的神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，神經(jīng)調(diào)節(jié)機(jī)制可暫時(shí)抑制瘙癢。但撓癢解決不了根本問題，不僅會(huì)留下抓痕，甚至引起感染。所以皮膚瘙癢需要尋找病因，避免誘發(fā)因素是防治皮膚瘙癢的關(guān)鍵。

參考資料：

1. Life as We Know Itch: How our body creates this irritating sensation - Science in the News (harvard.edu)

2. “癢”是怎么來的？為什么撓一撓就不癢了？

3. Pereira PJ, Lerner EA. Interneurons scratch an itch. Neuron. 2014 May;82(3):503-505.

by 掃地僧

Q.E.D.

Q7

之前看到一個(gè)視頻，根據(jù)人耳所能聽到的聲波頻率范圍確定人“聽力年齡”，這種測試科學(xué)嗎？

by 路癡醬

答：

以下內(nèi)容不構(gòu)成醫(yī)學(xué)建議，如有不適，請及時(shí)就醫(yī)。

需要明確的一點(diǎn)是，“聽力年齡”這個(gè)說法并沒有醫(yī)學(xué)上的定義。盡管人的聽力水平確實(shí)會(huì)隨著年齡增長而衰退，導(dǎo)致人耳能聽到的聲音的最高頻率下降，但衰退速度受日常用耳習(xí)慣、日常環(huán)境噪聲、遺傳等多方面因素影響，是因人而異的。目前并沒有足夠多數(shù)據(jù)樣本能明確告訴我們，諸如30歲的人能聽到的平均最高頻率的聲音是多少赫茲這種信息。因而這種視頻的判斷標(biāo)準(zhǔn)的合理性就值得懷疑。這種視頻似乎是根據(jù)醫(yī)院使用的“純音聽閾測試”（或稱“純音測試”）簡化得來的。純音測試是通過測試患者是否能聽到不同頻率、不同響度的聲音，檢查患者是否有聽力損傷的一種測試手段。需要注意的是，純音測試是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尼t(yī)學(xué)檢測手段，但你看到的測試“聽力年齡”的視頻可不是，這種視頻主要有三方面的問題。

第一點(diǎn)，就是硬件設(shè)施的限制。筆者觀看了幾個(gè)測試視頻，最高聲音頻率大多都在20kHz，但有些手機(jī)/耳機(jī)/喇叭能播放的聲音頻率小于20kHz。第二點(diǎn)，就是視頻所提供的音頻，即使原始文件是正確的，在上傳到視頻網(wǎng)站過程中，視頻會(huì)被壓縮，音頻會(huì)丟失高頻音。第三點(diǎn)，就是測試環(huán)境問題。一般的純音測試需要在隔音間進(jìn)行，保證環(huán)境噪聲低于30dB，而日常即使是安靜的室內(nèi)，噪音也很難低于30dB。缺乏專業(yè)的設(shè)備，音頻本身存在問題，測試結(jié)果的不準(zhǔn)確性也就顯而易見了。

還需補(bǔ)充一點(diǎn)，哪怕是醫(yī)院使用的純音測試，測試結(jié)果也受患者主觀因素影響，即沒聽到聲音卻覺得自己聽到了，或者聽到了聲音但沒能理解測試的含義所以導(dǎo)致測試結(jié)果出錯(cuò)等等。需要專業(yè)人員現(xiàn)場引導(dǎo)。所以，網(wǎng)上測試聽力年齡的視頻，其娛樂性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于科學(xué)性。20歲年輕人測出40歲聽力年齡也很正常，不必因?yàn)闇y試結(jié)果不好而有什么擔(dān)憂。

by 冬眠愛好者

Q.E.D.

Q8

為什么各個(gè)物理單位彼此間的關(guān)系大部分都是便于計(jì)算的數(shù)字？這是大自然的巧合嗎？

by 匿名

答：

這些常量真的很“便于計(jì)算”嗎？

光速c＝299792458m/s

真空介電常數(shù)ε?≈8.854187×10?12F/m

玻耳茲曼常數(shù)＝

類似的不便于計(jì)算的常量還有很多。但是題干的感覺并不完全是錯(cuò)覺，而是科學(xué)家通過使用合適的單位制，在構(gòu)建物理大廈的過程中確實(shí)消去了相當(dāng)多物理定律中常數(shù)的數(shù)值。著名的如中學(xué)課本中牛頓定律F＝kma的k＝1，這其實(shí)算是力的定義式。這些常量之所以可以“隱身”，一方面是因?yàn)槲锢泶髲B初建，可以十分輕易地避開矛盾與沖突；另一方面比例系數(shù)也確實(shí)不包含特別關(guān)鍵的物理信息。等物理學(xué)大廈的地基搭好，強(qiáng)如牛頓也沒辦法把引力定律中的比例系數(shù)設(shè)成1而與其他公式自洽；而那些真正包含物理信息的數(shù)字，比如平方反比律中的指數(shù)2（或者說-2），則一點(diǎn)都不能馬虎。

我們在高中及之前學(xué)習(xí)的物理，很大程度上都是為大廈打地基的內(nèi)容，確實(shí)有很多公式簡潔優(yōu)美。這些優(yōu)美的內(nèi)容或許可以給學(xué)生以不切實(shí)際的夢幻。不過，如果想見識不簡潔的公式，歡迎在大學(xué)選擇物理系然后讀個(gè)理論物理博士出來（bushi）。

by 井筠

Q.E.D.

Q9

為什么自行車在靜止時(shí)不好保持平衡，而動(dòng)起來就很容易保持平衡，這兩種情況輪胎和地面的接觸面積不是一樣的嗎？

by zzz

答：

陀螺不轉(zhuǎn)的時(shí)候很容易倒，陀螺轉(zhuǎn)起來后就不容易倒了。自行車也同理……嗎？

這個(gè)問題其實(shí)也困擾了科學(xué)家很久[1]。之前大家認(rèn)為，自行車車輪旋轉(zhuǎn)起來后獲得了一個(gè)角動(dòng)量，這個(gè)角動(dòng)量在重力矩的作用下，會(huì)把傾倒轉(zhuǎn)換為進(jìn)動(dòng)，所以能依然保持平衡。

但這并不完全正確。1970年Jones做了一種自行車，它的輪子由兩個(gè)分輪組成，兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，這完全抵消了角動(dòng)量，可這輛自行車依然能在運(yùn)動(dòng)中保持平衡。

其實(shí)，自行車保持平衡的秘訣在于，把傾倒變成了轉(zhuǎn)向。這一點(diǎn)可以通過車輪的進(jìn)動(dòng)做到，也可以通過直接轉(zhuǎn)方向把做到，想想看你在自行車快要倒下時(shí)是不是會(huì)把一把方向把？

把傾倒變?yōu)檗D(zhuǎn)向后，輪胎與地面的接觸面會(huì)重新移回到整體重心的下方，這樣就再次保持了平衡。如果你拼死不轉(zhuǎn)方向把，那傾倒就很難轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)向，就像下面這樣。

有人用方向把鎖死的自行車做了實(shí)體測試[3]，結(jié)果和這張圖一樣。

所以為了保持平衡，我們需要不停地控制方向把微調(diào)姿態(tài)。反過來，在需要轉(zhuǎn)向的時(shí)候，我們除了轉(zhuǎn)動(dòng)方向把之外，還會(huì)使得身體和自行車傾斜一個(gè)穩(wěn)定的角度，因?yàn)榈孛媸┘咏o我們的轉(zhuǎn)向力對我們有一個(gè)力矩，為了平衡這個(gè)力矩我們需要主動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)反向的重力矩。

有意思的是，在停止轉(zhuǎn)向的時(shí)候我們并不是直接把方向盤轉(zhuǎn)正，而是先稍微加大一點(diǎn)方向盤的轉(zhuǎn)向程度。因?yàn)橥Ｖ罐D(zhuǎn)向需要我們的身體也停止傾斜，這要求輪胎與地面的接觸面盡快回到重心下方，而加大轉(zhuǎn)向程度可以增大地面給我們的轉(zhuǎn)向力，從而使身體回歸豎直。

by 牧羊

Q.E.D.

#本期答題團(tuán)隊(duì)

牧羊、利有攸往、Childe、藏癡、樂在心中、掃地僧、冬眠愛好者、井筠

#點(diǎn)擊這里或識別下方二維碼快速提問

編輯：牧羊