認真閱讀Q1-Q3
你會對太陽的顏色
產(chǎn)生新的認識


Q1

為什么太陽看起來是黃色的，但發(fā)出的光是白色的？

by 匿名

答：

太陽輻射本身并不是白色的，甚至在不同的位置顏色也不同。我們平常說的“太陽發(fā)白光”的含義應(yīng)該理解成“晴朗白天海平面附近看到的太陽光是白色的”——這種光用來做牛頓的三棱鏡實驗就會看到七彩的色散。那么晴朗白天太陽看起來是什么顏色呢？經(jīng)驗上我認為是白色的，至于有沒有偏黃，我實在沒辦法“張目對日，明察秋毫”。

那么太陽什么時候顯黃色呢？并不在晴朗白天，而是在晨昏，或者霧霾天。為什么這些時候看過去太陽發(fā)黃呢？這就涉及到了瑞利散射。

光在傳播過程中遇到微粒會被散射到其他方向。如果微粒大小與光波長相近，并且散射的具體行為與頻率有關(guān)[此處省略若干公式]，那么這種散射就被稱為瑞利散射。大氣對陽光的散射就是這種情況。散射最強烈的波長剛好對應(yīng)藍紫色光，也就是可見光中的短波成分。晴朗白天，太陽輻射經(jīng)過大氣的散射以后，損失掉了一些短波成分，到達地面看起來是白色。晨昏時陽光在大氣中穿越的距離變長，損失的短波成分更多，太陽就顯出長波段的紅到黃色；霧霾天大氣中微粒濃度變大，散射能力變強，陽光損失的短波成分也比晴天多，太陽看上去也是黃色。

by 藏癡

Q.E.D.

Q2

手機相冊中濾鏡的原理是什么？

by 崔九

答：

想要明白濾鏡是怎么工作的，首先要知道彩色照片在我們的手機里是怎樣儲存的。我們用手機拍攝的一張彩色照片是由幾百萬個像素(pixel)組成。照片的每個像素點都是一個有特定顏色的小方塊，這些像素拼在一起，組成了一張彩色照片。在手機內(nèi)部的存儲中，對于每一個像素，它的顏色都可以由三個數(shù)字(R,G,B)來唯一確定，R,G,B分別對應(yīng)著紅(Red)、綠(Green)、藍(Blue)三個通道的顏色。R,G,B三個數(shù)字的取值范圍是從0到255，0代表最暗，255代表最亮。這樣三個數(shù)字的不同組合就代表著不同的顏色，例如代表紅色的三個數(shù)字是(255,0,0)，綠色是(0,255,0)，黃色是(255,255,0)，而白色是(255,255,255)。如果想知道更多顏色對應(yīng)的(R,G,B)數(shù)值，你也可以戳圖片下的鏈接來查詢。

濾鏡的本質(zhì)就是顏色的變換。我們可以把一個像素的顏色看成是三維空間上的一個坐標(biāo)點，顏色變換就相當(dāng)于是三維空間中從一個坐標(biāo)點到另一個坐標(biāo)點的映射關(guān)系。也就是：

F:（R,G,B）--->（R',G',B'）

舉個例子，我們想給一張彩色照片加上黑白濾鏡，即讓它變成R=G=B的灰度圖像，一種簡單的方法就是把每一個像素的（R,G,B）三個數(shù)通通都映射到K=0.30R+0.59G+0.11B。其中，RGB前面的系數(shù)來源于三原色對人眼的刺激程度，就好像在上圖中，綠光看起來比紅光和藍光都亮，但其實它們在屏幕上輻射出的功率是差不多的。這種映射很符合人眼對明暗的感覺，目前廣泛應(yīng)用的高清視頻標(biāo)準(zhǔn)PAL/NTSC制式采用的正是這種方法：

F:（R,G,B）--->（K,K,K）, K=0.30R+0.59G+0.11B

像這樣，我們就自己就實現(xiàn)了一個黑白濾鏡的功能。類似的，程序員已經(jīng)把一些寫好的顏色變換程序放在手機的相機軟件里，我們只需要動動手指，就可以給照片加上好看的濾鏡了。當(dāng)然，大部分相機里的濾鏡效果實現(xiàn)起來并沒有這么簡單，顏色變換的映射關(guān)系可能是通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換來實現(xiàn)的。

那么，我們怎么設(shè)計一種濾鏡，把太陽變成綠色呢？我們試著把太陽照片每個像素的（R,G,B）中代表紅色和綠色數(shù)字交換一下：

F:（R,G,B）--->（G,R,B）

經(jīng)過這樣的簡單操作，照片中的太陽就變得綠油油了。

by childe

Q.E.D.

Q3

如何把太陽變成綠的？

by 匿名

答：

首先提問，太陽是什么顏色的？（好吧，剛剛Q1答的就是這個）

跟著Q1認真探討的結(jié)果是，太陽在一般情況下白色的，它會或多或少地發(fā)射出各種顏色的光。事實上，它發(fā)出除伽馬射線以外的所有頻率的電磁波，包括無線電波、微波、紅外波、可見光、紫外波和X射線。太陽之所以發(fā)出所有這些顏色，是因為它是一個熱體，通過熱輻射的過程發(fā)出光。白熾燈發(fā)光就與太陽發(fā)光原理類似。

如果硬要探究太陽光是偏向于某種顏色的話，根據(jù)ASTM地面參考光譜標(biāo)準(zhǔn)，知道太陽光在進入地球大氣層之前在太空中的真實顏色含量應(yīng)該會更有說服力。事實是，太空中太陽光譜的波長分布，在紫色達到峰值。但是，重點來了，如果把它當(dāng)作一個黑體（不是非常精確），根據(jù)黑體模型，太陽的峰值頻率就是綠色的！所以我們甚至不用做什么太陽他自己就已經(jīng)綠了（手動狗頭）。

但是，作為一個地球人，我們還是離不開大氣的，被大氣層過濾的太陽光就略有不同。根據(jù)瑞利散射，大氣層對各種波長的光散射是不同的，比較容易散射的是藍紫色。因此，看起來陽光比太空中的陽光偏紅。而在日出和日落階段，我們看地平線的太陽時，它的光線穿過比平時多得多的大氣層，就會變得更加紅。

另外，大氣中如果有許多煙霧顆粒的話，它們也會促進更多地散射，從而呈現(xiàn)出相對更多更長波長的光，即看到太陽就會變得更加紅了。

最后值得一提的是，現(xiàn)實生活中，綠光還真是存在的，就像下面這張圖顯示的那樣。在日沒之后和日出之前，如果你當(dāng)時恰巧正在視野開闊的地方，你會發(fā)現(xiàn)，在太陽的上邊緣或是日落點的上方，可以看見會維持短短幾秒的綠光或綠色的光斑。究其原因，是由于光線在大氣層內(nèi)的折射：光線在密度較高的低層傳播速度比在稀薄的高層要慢，因此陽光在大氣層內(nèi)的傳播路徑是彎曲的，彎曲的方向與地球的曲率方向是基本相同的。而各色光折射率又不同，高頻光（藍綠）的路徑比低頻光（紅橙）更為彎曲，所以日落之后，紅橙光還擱那兒被圓圓的地球擋著的時候，綠光（問就是藍光更容易被散射）依然能在上邊緣被看見。

最后的最后，還是看看childe同學(xué)的回答用一個濾鏡可能最靠譜好實現(xiàn)。

有了它你甚至可以把那玩意兒搞成綠的。

參考資料：

[1]2000 ASTM Standard Extraterrestrial Spectrum Reference E-490-00

[2]程守洙等:《普通物理學(xué)（第七版）下冊》, 高等教育出版社

[3]Green Flash

by 十七

Q4

什么是音爆？

by 老田

答：

音爆：以音速或超音速運動的物體，在與周邊空氣劇烈摩擦過程中，產(chǎn)生空氣劇烈振動以及同時產(chǎn)生的爆破式的巨大響聲。

以飛機產(chǎn)生音爆為例：當(dāng)飛機在空中做超音速飛行時，頭部會形成激波，激波形成的音錐向外傳播時會相互干擾，最終匯集成一道包羅機頭的前激波和一道尾的后激波。被飛機的兩道激波波及的任何空間和物體均會感覺到這種強烈變化反映到地面人的耳朵里，使耳膜受到突然的空氣壓強變化，感覺是巨響，這巨響即為音爆。

參考資料：

[1]馮曉強,李占科,宋筆鋒.超音速客機音爆問題初步研究[J].飛行力學(xué),2010,28(06):21-23+27.DOI:10.13645/j.cnki.f.d.2010.06.005.

by just_iu

Q.E.D.

Q5

為什么動物飯前便后也不洗手（狗狗還會吃??），到處舔也不生病，人為什么不行？by 匿名

答：

看到這個問題后，我立馬想到了最近看到的一則新聞:“世界上最臟的男人”在第一次洗完澡幾個月后去世，享年94歲。

你們知道這位Haji老人幾十年來是怎么過的嗎？他幾十年來一直不吃新鮮食物，不洗澡洗衣服，甚至經(jīng)常吃腐爛肉類和未經(jīng)消毒的水，抽著裝滿動物糞便的煙斗，吃生的豪豬。就是這樣的一種習(xí)慣也讓他活了將近一百歲（回顧問題其實人也不是不行）。寄生學(xué)專家評測其身體后得出結(jié)論說，“強大免疫系統(tǒng)的逐步發(fā)展強化可能是他一直保持相對健康的關(guān)鍵”。

我想，這個問題的答案也許就能用Haji的例子很好地說明，正是因為Haji的身體一直處于一個平衡狀態(tài)，所以他會如此長壽。狗狗實際上并不具備比我們更能免受某些環(huán)境污染危害的“特異功能”，由于自然選擇的因素，那些生病以及死于吃不干凈東西的個體可能早就被淘汰了。由狗及人（真沒有罵人），人類的免疫系統(tǒng)其實還算可以，依靠著從古自今培養(yǎng)起來的免疫系統(tǒng)，我們的身體其實已經(jīng)可以在每天面對大約60000種細菌和病毒后仍然“臨危不懼”，依舊可以正?！鞍岽u”而非倒下，原因就是人們已經(jīng)建立和保持了一定的病毒耐受性系統(tǒng)。

當(dāng)然，某些人可能生活在我們認為不衛(wèi)生的條件下，但他們并不會生病。比如說，前往沒有很好衛(wèi)生條件國家旅游的我們可能會因為喝了那邊的水立馬生病，但是當(dāng)?shù)鼐用駞s沒有受到很多影響，因為他們在平常的生活中已經(jīng)適應(yīng)了當(dāng)?shù)丨h(huán)境，對區(qū)域性細菌或病毒感染產(chǎn)生了免疫力。

當(dāng)然，不得不提另一個客觀因素，那就是對狗狗來說，它們的胃酸強度大約是我們的100倍，這意味著它們可以迅速分解蛋白質(zhì)，并且在軟化人類無法消化的骨骼物質(zhì)等方面非常有優(yōu)勢。這也是狗狗可以處理比人類更多污染的原因之一。

但是這并不代表狗狗就“百毒不侵”，我們就可以隨便喂它們東西吃了。一般來說，以下食物對狗狗來說都是不安全的：冰淇淋（許多動物都有乳糖不耐癥）、巧克力（含有一種叫做甲基黃嘌呤的物質(zhì)對狗有劇毒）、洋蔥大蒜等蔥屬食物（使其心率加快、體力下降和器官系統(tǒng)破壞，但是因為延遲反應(yīng)不會立馬顯現(xiàn)）、杏仁（可能阻塞食道甚至撕裂氣管）。

最后想告訴大家的是：狗狗是人類的好朋友，請善待它們。因為我們也不會“汪汪語”，所以即使它們某一刻躲起來或只是一動不動，我們也不會立刻知道他們是不是生病了。

參考資料：

[1]“World' s dirtiest man”dies in Iran at 94 a few months after first wash.

[2]Lui CY, Amidon GL, Berardi RR, Fleisher D, Youngberg C, Dressman JB. Comparison of gastrointestinal pH in dogs and humans: implications on the use of the beagle dog as a model for oral absorption in humans. J Pharm Sci. 1986 Mar;75(3):271-4.

[3]Human Foods Dogs Can and Can' t Eat. (2019).

by 十七

Q.E.D.

Q6

洗發(fā)水和沐浴露能換著用嗎？

by 匿名

答：

其實“原理”上可以，但極不推薦。

首先它們的基礎(chǔ)物質(zhì)都是“表面活性劑”。那什么是表面活性劑呢？即加入少量能使其溶液體系的界面狀態(tài)發(fā)生明顯變化的物質(zhì)。表面活性劑的化學(xué)性質(zhì)為有機化合物，具備兩親特性：極性的親水（也稱“疏油”） 基團和非極性的親油（也稱“疏水”）基團。

以最常見的表面活性劑月桂醇硫酸酯鈉SLS為例：

SLS發(fā)揮作用時親油基團一端會和身體或者頭發(fā)上的油性物質(zhì)接觸在一起形成膠束。在膠束中，表面活性劑分子的疏水基聚集構(gòu)成膠束內(nèi)核，親水的極性基團構(gòu)成膠束外層。正是由于膠束外層的親水性所以很容易就能被水沖走。

這樣身上或者頭發(fā)無論是油性的臟東西還是非油性物質(zhì)都被沖洗干凈了，這也就是“原理”上可以。

但是由于身體皮膚和頭發(fā)的差異性所需要的表面活性劑的“厲害程度”就不相同了。以溶于水的表面活性劑的電學(xué)性質(zhì)作為分類標(biāo)準(zhǔn)，可以分為陰離子型、非離子型、兩性離子型以及陽離子型表面活性劑。陰離子型的表面活性劑可以用于洗發(fā)水，而它對皮膚的刺激比較大，所以洗面奶（沐浴露）就會選用非離子型的表面活化劑。

最后對于洗發(fā)水或者沐浴露都會添加一些特定的功能物質(zhì)，比如洗發(fā)水中的去屑物質(zhì)，沐浴露中的乳化物質(zhì)，所以如果混著用這些功能物質(zhì)就無法發(fā)揮作用甚至是反作用，所以極不推薦混著用。

Tips：無論洗發(fā)水還是沐浴露，找到自己合適的才是最好的！

參考資料：

[1]楊秀芬.潔面產(chǎn)品用表面活性劑的分類及應(yīng)用[J].日用化學(xué)工業(yè),2022,52(06):656-663.

by just_iu

Q.E.D.

Q7

為什么風(fēng)大時不帶頭盔騎車頭發(fā)會被吹成中分？

by 匿名

答：

當(dāng)然是因為，“吹呀吹呀，我的驕傲放縱~”??

要回答為什么頭發(fā)會被吹成中分，首先讓我們來看人類頭顱的形狀，以大頭兒子為例，人的頭，尤其是頭蓋骨附近可以近似看成一個橢球面。

再將頭發(fā)視為固定在這個橢球面上某一點的一根細線,如下圖中帶箭頭的線段，則我們得到了簡化的頭發(fā)-頭蓋骨模型，簡化為下圖右側(cè)所示：

圖中黃色箭頭代表迎面吹來的風(fēng)，在風(fēng)的作用下，頭發(fā)會首先因為受到垂直這個橢球面的力而貼著頭皮，如此，便完成了塑造靈魂中分的第一階段。此后，由于大頭兒子的額頭并不是一個平面，所以這些風(fēng)吹到頭上之后會順著這個橢球面向兩側(cè)流動，而這些流向兩側(cè)的風(fēng)又會給頭發(fā)受力，帶著頭發(fā)偏向兩側(cè)。

以額頭正中為分界線，很簡單地可以想象，左側(cè)的頭發(fā)更加容易向左偏，右側(cè)的頭發(fā)更加容易向右偏，所以頭發(fā)自然地就以額頭正中為分界線，形成了中分發(fā)型??

不過，還是提醒同學(xué)們，“一盔一帶，安全常在”，這樣才能“任風(fēng)吹任它亂毀不滅是我，盡頭的展望~”??

by Callo

Q.E.D.

Q8

科學(xué)家是如何測得地球的質(zhì)量為5.9742×1000000000000000000000000000g的？by 余日莫

答：

題主提問的地球質(zhì)量是1976年給出的推薦值(5.9742±0.0036)*10^24kg。目前(截至2021年)對地球質(zhì)量的最佳估計為M=5.9722*10^24kg，絕對不確定度為6*10^20kg，相對不確定度10^-4，精確度有所提高。對應(yīng)密度約為5.515g/(cm^3)。

科學(xué)家對地球質(zhì)量的估算是逐步精確的，估算方法也隨著理論和實驗技術(shù)的進步而逐漸演化。早期科學(xué)家主要通過估算地球的體積和密度來估算地球質(zhì)量，而對地球體積的估算由于緯度原因使得低估了地球半徑，導(dǎo)致體積比正確值小約三分之一。艾薩克·牛頓（Isaac Newton）估計地球的密度是水的密度的五到六倍，與實際地球的平均密度非常接近，但由于體積的低估了約30%，得到地球質(zhì)量約為(4.2±0.5)*10^24千克。

18世紀(jì)，牛頓萬有引力定律的提出使得通過萬有引力常數(shù)來間接估算地球質(zhì)量成為可能。根據(jù)萬有引力和牛頓第二定律，如果知道了重力加速度g，地球的半徑r，和萬有引力常數(shù)G，就可以估算得到地球的質(zhì)量M=gr^2/G。其中引力加速度可以通過物體的自由落體運動進行測試，1/2gt^2=h，可以在固定高度以初速度為零使物體自由下落，根據(jù)所用的時間即可得到重力加速度。萬有引力常數(shù)可以通過卡文迪許扭稱實驗得到，可閱讀公號之前的推送《如何優(yōu)雅的稱量地球的質(zhì)量》。據(jù)此，卡文迪許給出了較為精確的地球質(zhì)量5.965*10^24kg，對應(yīng)密度5.45g/(cm^3)，低于標(biāo)準(zhǔn)值僅1%。

在此期間，科學(xué)家也嘗試了許多方法來確定地球的平均密度，但后來發(fā)現(xiàn)高精度的重復(fù)進行卡文迪許實驗的效率更高，地球質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的不確定性主要取決于引力常數(shù)G測定的不確定性。到19世紀(jì)90年代，相對不確定性降低到約0.2%，直到目前，地球質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值的相對不確定性可以達到10^-4。

參考資料：

[1]Earth mass

by 勿用

Q.E.D.

#本期答題團隊

藏癡、childe、十七、just_iu、Callo、勿用

封圖原圖：bencbartlett

編輯：牧羊