與外星人接觸
是多少科幻作品的題材
當真正面對完全未知的外星文明
我們能否跨過語言的鴻溝
建立溝通，避免戰(zhàn)爭？


Q1

同樣是碳氫氧組成的，為什么有些有機物有毒，有些沒毒；有些有氣味，有些沒有？

by 匿名

答：

在我們一般認識中，有毒的有機物大多是含有某些特別的元素，比如氰化物，或者含有磷元素的有機物，但是在自然界中稱得上劇毒的僅由碳氫氧構成的有機物也不在少數(shù)。

比如長鏈烷烴、一氧化碳(CO)、苯并芘、異丙醇等，他們的毒性不在于組成的元素，而是其結構。高中學化學時經(jīng)常說，結構決定功能，例如有—OH結構的更易溶于水，又或者是容易發(fā)生化學反應，一些有機物的功能鍵會和人體的物質相結合導致變性，比如甲醛，甲醛的碳氧雙鍵反應活性很高，會和蛋白質核酸的羥基、氨基加成，導致蛋白質核酸變性喪失結構。

有機物有無氣味主要是看其是否有揮發(fā)性，是否有某些元素，例如帶有S、N元素的有機物就會有臭味，而碳氫氧結構的，例如醛類、酮類也會有異味，當然在日常中如果有機物發(fā)生分解也會產(chǎn)生臭味?？偟膩碚f，其中產(chǎn)生氣味的原因有很多種，有機物燃燒產(chǎn)生氣味的大多是氨類和硫類。

by 藍多多

Q.E.D.

Q2

飯卡沒有通電為什么能接受手機上實時的充值信息？

by 匿名

答：

飯卡作為我們解鎖食堂美食的“鑰匙”，應該是每個大學生都接觸過的電子卡片了。這種卡片不同于形狀與之類似的撲克卡片，他們內部往往配備有微型芯片（IC芯片）。借助微型芯片，飯卡通常采用了無線射頻識別（RFID）技術，或其衍生技術---近場通信（NFC）技術。這類技術方案可以讓飯卡在本身沒有電力的情況下工作。

以用飯卡刷卡吃飯為例，我們可以窺見RFID和NFC這類短距離無線通信技術的工作流程。在我們精心挑選好想吃的菜品后，食堂阿姨會根據(jù)菜品的價格在刷卡機（或讀卡器）上輸入相應的金額。待完成輸入后，刷卡機會在一個指定區(qū)域生成一個電磁場（無線交互）。接著，我們將飯卡貼近那個區(qū)域后，飯卡中微型芯片將接受電磁場的信號，從而利用信號中的能量激活自身。隨后，這個芯片在確認信號合規(guī)后，將會向刷卡機發(fā)送飯卡的相關信息，如：卡片的唯一標識符、余額等。在刷卡機接受到了你的卡片信息后，就會查詢服務器以確認你的賬戶余額，最后完成交易。

從這個實現(xiàn)流程上可以知道，卡片還是需要通電才能使用的。但是這個通電的方式是接受刷卡機上的信號以獲得電力。這個過程簡單來講，可以聯(lián)系我們中學所學過的電磁感應定律進行解釋。我們的飯卡中除了微型芯片外，還有一組感應線圈（下圖中的NFC天線）。如下圖所示，當卡片從讀卡器上劃過后，穿過飯卡中感應線圈的磁通量將發(fā)生改變，由此產(chǎn)生感應電流以激活芯片工作。這也是為什么彎折、裁剪校園卡會導致校園卡無法正常工作的關鍵。破壞了飯卡的感應線圈會導致它不能從外界獲得電力，破壞了飯卡的芯片可能會導致它無法向刷卡機發(fā)送卡片信息。

為什么我們剛剛在手機上充好錢，再刷卡后就能立即更新我們的飯卡余額呢？在了解了RFID和NFC的實現(xiàn)流程后就非常好理解了。當我們在手機上為飯卡完成充值后，服務器會立刻更新飯卡的余額。當我們再使用飯卡時，刷卡機連接到服務器后查詢到的飯卡余額是我們完成充值后的余額。這樣，就完成了飯卡的充值。需要補充的是，這個過程能夠實時更新主要得益訪問服務器的速度夠快（或者說網(wǎng)速夠快）。筆者就遇到過因為校園網(wǎng)檢修，充值金額遲遲沒有到賬的尷尬情況（T_T）。

也許很多人會疑惑，為什么手機NFC復制了飯卡后卻刷不出錢呢？這點可就與飯卡芯片里的加密程序密切相關啦。芯片通電激活后，會通過運行安全程序識別外來信號是否合規(guī)。手機在嘗試復制飯卡時會被飯卡里的防復制程序狠狠地拒絕，讓手機無法得到任何和資金有關的信息。手機能復制下來的虛擬卡往往只能供我們刷靠唯一標識符認證的門禁，有時甚至毫無作用。

總的來說，飯卡主要由微型芯片和NFC天線組成，它的工作并不依賴于其自身的電力，而是依賴于讀卡器的電磁場供電、服務器的信息處理和芯片內的程序運行。這就是為什么即使飯卡沒有通電，也能接收到手機上實時的充值信息的原因。

參考資料：

1. NFC天線工作原理、設計

by 魚非我

Q.E.D.

Q3

為什么中性介子(比如π0介子)沒有電荷仍具有反粒子?

by 星巡新天

答：

每種類型的粒子都有與之具有有相同質量但具有相反守恒荷的反粒子。這是相對論量子力學中狄拉克方程的解的要求。按照費曼的理解，反粒子與普通粒子的區(qū)別在于：在費曼圖中，反粒子相對于正常物質在時間上向后移動，而非通常的向前移動。最為大眾熟知的電子的反粒子就是正電子，其與普通電子的具有相反的電荷。

反粒子和普通粒子互為共軛，因此正電子的反粒子即是普通電子。但是反粒子的存在并不依賴于電荷。粒子及其反粒子一定具有相反的電荷，但不帶電的粒子也會產(chǎn)生不帶電的反粒子。如果該粒子沒有其它荷的差異，那么此種粒子的反粒子就是其本身，比如光子和題目中的介子。在電荷為0的同時，也有可能該種反粒子和粒子有其它荷的差異，反中子即是一例，反中子的磁矩與中子的磁矩相反。

by 單身男青年

Q.E.D.

Q4

在真空中扇扇子會產(chǎn)生風嗎？

by 匿名

答：

在真空中扇扇子不會產(chǎn)生風。"風"是由大量氣體分子（例如空氣）的移動形成的，而真空是一個沒有氣體分子的空間。因此，當你在真空中扇扇子時，由于沒有氣體分子可以被扇動，所以不會產(chǎn)生風。

扇子的工作原理是，當我們揮動扇子時，扇子會推動周圍的氣體分子移動，形成氣流，這就是我們感覺到的風。但是在真空中，由于沒有氣體分子，所以揮動扇子不會產(chǎn)生任何效果。

這也是在太空中，飛船需要使用火箭推進器而不能使用像飛機那樣的氣動推進器的原因。在沒有空氣的太空中，氣動推進器（如螺旋槳或噴氣發(fā)動機）無法工作，因為它們需要推動空氣來產(chǎn)生推力。而火箭推進器則是通過向后噴射高速氣體來產(chǎn)生向前的推力，這種工作原理不依賴于環(huán)境中是否存在氣體，所以可以在真空的太空中工作。

by 魚非我

Q.E.D.

Q5

回旋鏢是怎么實現(xiàn)回旋的？希望能解釋的更通俗一些，之前的解釋看不太懂，和網(wǎng)上找到的其他解釋也不太一樣）

by 77

答：

回旋鏢是一種古老的狩獵工具，現(xiàn)在常常被人們用來娛樂和健身，如果你仔細觀察它的飛行軌跡的話可以看到回旋鏢被擲出后不僅會自轉，還會繞著某一個回旋軸做圓周運動，最后回到拋擲者手中。為了解釋這樣的現(xiàn)象，下面將以V型回旋鏢為例簡單闡明一下它的飛行原理。

回旋鏢能夠在飛行過程中不掉落下來，這是升力的緣故。它的翼面結構和飛機機翼非常相似，一面是凸面，一面是平面。由伯努利原理可知，凸面的氣流流速大，壓強小，平面的氣流流速小，壓強大，從而使得回旋鏢產(chǎn)生一個側向的升力。由于回旋鏢不會完美地垂直于地面，且回旋鏢的重力很小，升力的垂直分量就可以把重力抵消掉，因此回旋鏢在飛行過程中不會因為自身重力而落下。

回旋鏢在被拋出后自身也在旋轉，葉片就會產(chǎn)生一個相對于空氣的速度。如下圖一所示，當回旋鏢以一定的速度在空中旋轉時，位于回旋鏢上側葉片的質點與回旋鏢質心運動方向相同，它的實際運動速度是質心速度+切線速度，而位于下側葉片的質點實際速度為質心速度-切線速度。由于上下兩個葉片相對于空氣的速度不同，所受的升力大小也不相等，由升力產(chǎn)生的升力力矩也不相等，這導致回旋鏢整體受到一個升力力矩的作用。當回旋鏢被拋出后，它會受到一個和自轉角速度方向垂直的升力力矩。根據(jù)陀螺進動原理，它的中心會繞著平行于力矩方向的軸旋轉，從而在空中做一個大圓弧運動，最后回到拋擲者手中。

參考資料：

盧國棟.回旋鏢運動軌跡的模擬[J].科技創(chuàng)新導報,2015,12(21):98-99.

by Sid

Q.E.D.

Q6

如果把一個身高170cm，體重45kg的人變得和中子星一樣緊密，這個人會變得多??？

by ？

答：

中子星是恒星在生命末期被自身巨大質量所產(chǎn)生的引力壓縮成的一種天體，引力產(chǎn)生的巨大壓強將原子中的電子壓入質子，相當于變成了中子。中子星密度通常在，也就是每立方厘米1億噸到10億噸。

眾所周知，晚期智人的體重在左右，所以變成中子星后體積大約，也就是一個直徑左右的小球那么大，和用于研究超導壓力效應的金剛石立方六面砧（DAC）中的超導樣品大小相當。目前DAC最高能達到上百萬大氣壓的壓強，實現(xiàn)最高的超導電性（不是造假的那種）。但是想要維持中子星，需要大約個大氣壓的壓強，是DAC中壓強的倍。所以，相比于把人壓成中子星，我更看好人類先實現(xiàn)常壓室溫超導（手動狗頭）。

參考資料：

1. Drozdov, A.P., et al., Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. Nature, 2019. 569(7757): p. 528-531.

by 藏癡

Q.E.D.

Q7

我發(fā)現(xiàn)很多像禮堂、音樂廳、演播廳等場館，墻壁都是這樣有孔的。是為了更好地反彈聲音，還是為了更好地吸音以防干擾到外界呢？

by XXXYPF

答：

在常見的音樂廳中，一般是既有吸收聲音的吸音板，也有反射聲音的反射板的，二者作用各不相同。在音樂廳的聲學結構中，有一個重要的概念叫做混響時間?；祉憰r間為聲源停止發(fā)生之后，聲音的能量降低為原有的分之一所用的時間，可以簡單理解為回音所持續(xù)的時間。混響時間與場所的空間尺寸、形狀與吸音能力有很大關系。在音樂廳中，最佳混響時間一般在2秒左右，古典音樂一般稍短而現(xiàn)代音樂一般稍長。為了獲得理想的混響時間，設計師需要選擇合適的墻壁材料。吸音材料可以縮短混響時間，而反射板可以延長混響時間。

反射板除了提高混響時間外，還有營造立體聲場的能力。反射板可以使得音樂不僅從演出舞臺的方向傳來，還可以使觀眾聽到其他方向傳來的回音。良好的擴散設計可以使得觀眾的體驗得到很大提升，營造身臨其境的感受。

目前，音樂廳一般分為自然聲演奏和擴音裝置輔助。對于自然聲演奏的音樂廳來說，一般要加裝反射板來增加聲強，防止后排觀眾觀感過差。（另外糾正一下問題，多孔墻壁確實有吸音的作用，但目的不是為了防止干擾外界，而是防止干擾場內。）

by 單身男青年

Q.E.D.

Q8

假如一個地外文明到訪地球，我們人類能破譯地外文明的語言嗎？原理是什么？

by 花鳥使

答：

如果你真的遭遇了外星人，你應該如何和他們交流呢？想象一下，假如你附身葉文潔正在監(jiān)看著儀器，突然來自三體星系信息波從屏幕跳躍出來，最終引發(fā)了現(xiàn)實世界的混亂；或者你在電影《接觸》中，就像主角艾莉一樣，揭開了一段神秘外星信號背后的宇宙秘密。

這些不僅僅是電影情節(jié)，它們挑戰(zhàn)著我們的想象，讓我們對未知的宇宙充滿了好奇。在這個科幻世界中，語言成為了跨越種族和星際的橋梁，而我們，作為智慧生命的代表，正站在這座橋梁的起點，準備開始一場前所未有的探索旅程。

雖然我們尚未遇到真正的外星語言，倘若我們真的收到一段外星長文或者是語音，我們仍可以通過下面理論和方法來研究：

●尋找通信中的普遍模式：

通信中的普遍模式是指在不同語言和通信系統(tǒng)中常見的基本模式和結構。這些模式可以是語音、符號、語法結構或者信息傳遞方式。破譯一個全新語言的基本步驟可能包括尋找重復模式、結構和語言中的常見元素。這可能包括尋找與特定動作或對象相關聯(lián)的聲音或符號，從而建立基本的詞匯。隨著時間的推移，可以通過上下文和重復交流逐漸理解更復雜的概念和結構。例如，大多數(shù)地球語言都有某種形式的語法結構，單詞和短語來表達特定的概念。雖然外星語言可能完全不同，但也可能遵循某種邏輯結構或模式。

以戰(zhàn)爭中破譯密碼為例，最著名的案例之一是二戰(zhàn)期間的德國恩尼格瑪密碼機。恩尼格瑪機是一個極其復雜的機械加密設備，用于加密和解密秘密消息。盟軍破譯團隊，包括著名的數(shù)學家艾倫·圖靈，通過分析密碼中的重復模式、頻率分析和已知的部分信息，逐漸理解了恩尼格瑪?shù)墓ぷ髟?。他們?chuàng)建了名為“龐貝”的機器來幫助破解恩尼格瑪密碼，這個過程依賴于找到密碼中的重復模式和結構。通過這種方式，盟軍能夠解碼大量德軍的通信，這在諾曼底登陸中起到了決定性的作用。

●語言的數(shù)學特性：

○潛在的形式化的數(shù)學特性：劍橋大學的語言學教授Ian Roberts認為，雖然外星語言的表達方式可能完全不同，但它們可能與人類語言在形式上的數(shù)學特性相似。這與諾姆·喬姆斯基提出的理論相一致，他將人類語言定義為一個無限適應的交流系統(tǒng)，旨在解決人類溝通中的問題。

○利用數(shù)學方法解碼：也許外星人發(fā)出的信息和我們人類線性簡單語言的不同是奪位，就像在卡爾·薩根的科幻小說《接觸》一樣，角色花了很長時間來弄明白射頻望遠鏡收到外星人發(fā)送的信息三維（具體來說是視頻）?，F(xiàn)實生活中，Hector Zenil及其團隊提出的一種數(shù)學解碼方法，考慮一個傳入的信息（如一串比特）并探索每種可能的維度數(shù)量和大小組合，為每個塊計算局部有序性。這涉及到搜索一個包含數(shù)萬億個小型計算機程序的目錄，計算有多少程序生成了相同的塊。此外，還通過圖像壓縮算法來測量每個配置的全局有序性。將局部和全局分數(shù)結合起來，研究人員可以判斷每種配置是否正確。

●普遍的數(shù)學&物理原理：

我們未必知曉彼此之間的語言符號，但是抽象出來的數(shù)的概念（就像我們小時候看到四個蘋果產(chǎn)生4這個抽象數(shù)字理解一樣）以及宇宙中的普遍物理，仍可以作為我們的重要溝通基礎。

數(shù)學常量或序列，如圓周率、e、斐波納契數(shù)或素數(shù)，它們與任何符號或慣例無關，更進一步我們可以采用多種進位制來描述這些，考慮到十進制可能不是宇宙中普遍的。

物理定律或現(xiàn)象，如光速、氫光譜或原子結構，特別是氫原子作為宇宙中最為常見的原子，其多種物理本征量可以很容易作為我們溝通的基礎尺度，這些對于任何擁有先進科學技術的文明都可以觀測和驗證。

下次假如你遭遇了外星人，想必掌握以上知識的聰明讀者們能夠和外星人??進行友好交流，并成為好朋友??！

參考資料：

1. 星際語言學：解碼外星語言

2. 如何用數(shù)學開始解碼外星消息

by 青春小花??

Q.E.D.

Q9

液晶小黑板擦除字跡的原理是什么?

by 無知的高中牲

答：

液晶材料是液晶顯示器(LCD)的核心組成部分，它是一種介于固態(tài)和液態(tài)之間的物質，具有光學各向異性。在電場的作用下，液晶分子會按照電場的方向排列，形成一種有序的結構，這種有序的結構會導致液晶層的折射率發(fā)生變化，改變光的傳播方向，使得液晶屏幕產(chǎn)生圖案。

手寫液晶板主要有三層，頂層是透明的玻璃板，中間是薄層液晶膜，底層是黑色塑料膜，液晶分子按層排列。

液晶手寫板的清除原理是基于雙穩(wěn)態(tài)液晶的特性，也就是膽甾型液晶材料，它的分子結構有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，平行和垂直，稱為P態(tài)和FC態(tài)。

當液晶處于FC態(tài)時，分子長軸垂直于層平面，光線直接穿過液晶層，被最下面的黑色塑料膜吸收，呈現(xiàn)出來的就是完全的黑態(tài)。當用筆或者手指按壓液晶膜時，液晶受壓力擠壓翻轉，變成P態(tài)，顯示為白色。線條的粗細取決于書寫壓力，壓力越大，翻轉的液晶越多，線條越粗。

P 態(tài)下分子長軸平行于層平面，沿層的法線方向便會排列成螺旋狀結構，自然光線照射液晶層被翻轉區(qū)域的時候，只有和液晶螺紋距離一樣波長的光線被反射出去，其余顏色被吸收，形成相應顏色的字跡。膽甾相液晶的螺紋距離可通過手性聚合物調節(jié)，當達到 450nm-530nm 的時候，字跡呈藍綠色；當達到 530nm-600nm 的時候呈黃綠色。

頂層和底層與液晶接觸的面有導電層，當按下手寫板上的清除鍵時，電路對液晶膜進行通電，翻轉后的區(qū)域（P 態(tài)）受電壓刺激恢復到 FC 態(tài)，雙穩(wěn)態(tài)在無需外部作用的條件下，能保持“透明” 和“不透明” 兩種穩(wěn)定狀態(tài)。電容筆內部有一個電路板，上面有電磁鐵和電池，電容筆的筆尖由一根細小的金屬線組成，當電子筆接觸到液晶屏幕時，電磁鐵就會產(chǎn)生電場，從而改變液晶的狀態(tài)。

by 藍多多

Q.E.D.

Q10

人類好像在聽到一個詞的發(fā)音后就能發(fā)出同樣的發(fā)音，人是怎么能夠這樣做的？比如F和v是輔音中的唇齒摩擦音，需要上牙齒與下嘴唇兩個發(fā)音器官配合形成間隙——將上切牙，也就是門牙，輕壓在下嘴唇上。在聽到這個發(fā)音后人是怎么知道嘴巴要做什么動作才能發(fā)出相同的聲音的？這是本能還是后天習得的？讓一個嬰兒只聽發(fā)音，不讓他看發(fā)音時的嘴型，他能夠發(fā)出這個音嗎？

by 冰淇淋

答：

聽到一個發(fā)音就能發(fā)出同樣的音通常是很困難的，除非母語或者熟練掌握的語言中有類似的發(fā)音。在更多情況下，聽到一個發(fā)音就能準確地重復它，這需要一定的經(jīng)驗和發(fā)音知識。

對于母語中不作區(qū)分，但是發(fā)音口型或發(fā)音方式有區(qū)別的發(fā)音，人們是很難僅靠聽將其區(qū)分開來的，例如送氣和非送氣的/k/發(fā)音在英語中表示相同的意義(如果你不知道送氣音和非送氣音，你可以將非送氣音粗糙地理解為所謂的“濁化”，而送氣音則為正常)，因此以英語為母語的人難以區(qū)分這兩個發(fā)音，那么他們在發(fā)音時也就不會刻意區(qū)分它們。這樣一來，聽到一個發(fā)音后重復，可能就是另外一個了。

此外，人們在學習外語的時候，傾向于將母語的發(fā)音遷移到目標語上，當一個人聽到母語中沒有的發(fā)音時，他可能會選擇一個母語中與之最接近的發(fā)音來重復這個新的發(fā)音。這個現(xiàn)象較為常見，例如中國人說英語往往會帶有中國口音，印度人則往往帶印度口音。

所以，要想準確地重復一個發(fā)音，僅聽是不夠的。但我們似乎總能模仿個大概，這是因為不同語言的元音、輔音有共同特征(例如爆破音p, k, t，元音a, u, o, i, e普遍存在于多種語言)，我們學過中、英兩種語言能夠應對相當范圍的發(fā)音。

成年人在模仿別人發(fā)音的時候，會將對方的話語拆成發(fā)音單元，每個發(fā)音單元對應到自己會的(例如母語中的)某個發(fā)音，而嬰兒則不是這樣。

嬰兒學習發(fā)音的具體機制尚有爭議，其中模仿理論認為嬰兒通過模仿成人的聲音來發(fā)出自己的聲音，不需要口型參與，模仿理論的另一方觀點則認為嬰兒通過模仿成人的口型學習發(fā)音。

除模仿外，有理論認為嬰兒通過父母的反饋學習發(fā)音。嬰兒在咿呀學語階段會嘗試發(fā)出各種奇怪的發(fā)音，而他的家人會從這些發(fā)音中識別出自己母語中有的發(fā)音，并將自己識別出的發(fā)音通過一種夸張的方式說出來，作為給嬰兒的反饋，嬰兒收到反饋比較并修正自己的發(fā)音，如此迭代嬰兒就學會說話了。

參考資料：

1. KAN M S, ITO A. Language cognition and pronunciation training using applications [J/OL]. Future Internet, 2020, 12(3). 10.3390/fi12030042.

2. HOWARD I S, MESSUM P. Modeling the development of pronunciation in infant speech acquisition[J/OL]. Motor Control, 2011, 15(1): 85 - 117. 5.1.85.

3. MESSUM P. Teaching pronunciation without using imitation: Why and how: Vol. 3 [C/OL]. Iowa State University Digital Press, 2011.

4. STRANGE M. A biologically plausible mechanism for phonology acquisition in human infants[D/OL]. 2019: 170.

by 利有攸往

Q.E.D.

#本期答題團隊

藍多多、魚非我、單身男青年、藏癡、Sid、利有攸往、青春小花??

編輯：小范