為什么音樂百聽不厭

但噪音避之不及？

劃黑板的聲音

為什么會(huì)變成聲之刑呢？

Q1

物理學(xué)4大神獸是哪4大？他們是怎么成名的？（如薛定諤的貓是因?yàn)閷?duì)宇宙的真實(shí)質(zhì)疑而成名）？by 翟文滔

答：

物理學(xué)四大神獸是芝諾龜，拉普拉斯獸，麥克斯韋妖，薛定諤的貓。它們不是真實(shí)存在的動(dòng)物，而是科學(xué)家們假想出來用于佐證科學(xué)理論的思想實(shí)驗(yàn)。篇幅有限簡(jiǎn)要介紹

芝諾龜（Zeno's ? paradox）是一個(gè)悖論：假定人的速度是龜?shù)?0倍，現(xiàn)在讓人去追100米遠(yuǎn)的龜，人到達(dá)龜?shù)钠瘘c(diǎn)時(shí)龜已經(jīng)向前走了10米，人再追10米龜也前進(jìn)1米，還是在人的前面。如此無限循環(huán)下去，龜永遠(yuǎn)不會(huì)被人追上，但在現(xiàn)實(shí)中這是不可能的，這就是著名的芝諾悖論。但現(xiàn)在我們知道，無窮個(gè)數(shù)相加不一定等于無窮。芝諾悖論里的這個(gè)無窮數(shù)列是收斂的，芝諾的烏龜并非永遠(yuǎn)追不上。

拉普拉斯獸（Démon de Laplace）也叫拉普拉斯妖，它知道宇宙中每個(gè)原子確切的位置和動(dòng)量。拉普拉斯相信決定論，他認(rèn)為掌握了這些信息就能計(jì)算出整個(gè)宇宙的過去和未來，但熱力學(xué)第二定律和不確定性原理告訴我們，這樣的惡魔是不可能存在的。

麥克斯韋妖（Maxwell's ? demon）是麥克斯韋假想的，能探測(cè)并控制單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)的妖。如果一個(gè)絕熱容器被分成相等的兩格，中間的麥克斯韋妖只允許冷原子通過，就可以0消耗在兩側(cè)制造出溫差并對(duì)外做功，從而突破熱力學(xué)第二定律制造出永動(dòng)機(jī)。但實(shí)際上，就算麥克斯韋妖真的存在，它處理信息的這個(gè)過程也是熱力學(xué)不可逆的，必然伴隨著更高的熵增，仍然無法突破熱力學(xué)第二定律，也不可能造出永動(dòng)機(jī)。

關(guān)于薛定諤的貓（Schr?dinger’s ? Cat）的討論至今還在繼續(xù)，在四大里的知名度也是最高。它本是薛定諤為質(zhì)疑量子力學(xué)所制造的武器：量子力學(xué)認(rèn)為，微觀粒子可以處于疊加態(tài)，但如果把貓和放射性原子放在黑箱里，且原子衰變會(huì)導(dǎo)致貓死亡，原子處于衰變和未衰變的疊加態(tài)就會(huì)導(dǎo)致貓也處于既活又死的疊加態(tài)。這一實(shí)驗(yàn)將微觀的量子態(tài)映射到宏觀的貓，非常巧妙。

最后，四大神獸這個(gè)名號(hào)怎么成名的這個(gè)問題，目前并沒有統(tǒng)一的答案。雖然除了薛定諤的貓外都已經(jīng)被證偽，但這四個(gè)思想實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展，在科學(xué)史上有重要意義。

by 黃水機(jī)

Q.E.D.

Q2

α粒子散射實(shí)驗(yàn)為什么要用金箔？其他材料行不行？

by Y.

答：

因?yàn)椋?1)金的延展性好，容易制成很薄很薄的箔狀物，厚度可以達(dá)到幾個(gè)原子的量級(jí)；(2)金的原子核較重，攜帶的正電荷更多，對(duì)于直接撞上的α粒子散射角更大，實(shí)驗(yàn)效果更明顯；(3)金核不會(huì)與α粒子（氦核）發(fā)生核反應(yīng)。綜合這三點(diǎn)，金箔是α散射實(shí)驗(yàn)的首選材料。

其他材料當(dāng)然也行，當(dāng)時(shí)做實(shí)驗(yàn)的蓋革就試過過金、錫、銀、銅和鋁五種材料，結(jié)果當(dāng)然是金的散射效果更顯著。當(dāng)然，理論上用鉛可以達(dá)到更好的效果，但當(dāng)時(shí)的工藝條件并不允許把鉛箔做得很薄。

參考資料：

[1]Geiger H . The Scattering of the alpha Particles by Matter[J]. Proceedings of the Royal Society A, 1910, 83(565):492-504.

[2]阿爾法粒子散射實(shí)驗(yàn)為什么只能用金箔或銀箔，不能用其他的呢？

by 牧羊

Q.E.D.

Q3

想請(qǐng)問一下為什么聽到粉筆劃黑板的聲音時(shí)會(huì)牙癢癢？

by lim_universe

答：

目前主要有以下幾種可能的研究假設(shè)：

首先解釋一下人耳聽到聲音做出反應(yīng)的機(jī)制：我們的大腦里有一個(gè)被叫做網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（reticular ? formation）的部分，它位于腦干，由100多個(gè)小型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，具有多種功能，大腦解釋聲音的方式就可以通過此結(jié)構(gòu)來進(jìn)行調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換。當(dāng)我們聽到刮黑板這種聲音的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)一個(gè)叫做戰(zhàn)斗或逃跑反應(yīng)（fight-or-flight ? response）的身體自衛(wèi)機(jī)制，主要使杏仁核部位高度活躍，而杏仁核主宰著人們的負(fù)面情緒釋放，外部表現(xiàn)會(huì)是瞳孔放大、心肺加速等等，同時(shí)使我們?nèi)菀桩a(chǎn)生焦慮和攻擊性等情緒反應(yīng)。值得一提的是，這種聲音（類似于木板或者盤子上的刮擦聲）引起的不愉快情緒反應(yīng)在西班牙語中被稱作為“grima”。

另一方面，我們都知道人耳能感受到的振動(dòng)頻率范圍約為20-20000Hz，而隨著年齡的增長(zhǎng)，聽覺上限會(huì)逐漸降低，在此范圍內(nèi)，根據(jù)等響曲線（Equal-loudness ?contour）理論，人耳又對(duì)在大約2-4 kHz之間的聲音最敏感，這主要是由于耳道的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致此頻率范圍的聲音會(huì)被放大，從而引發(fā)人耳疼痛。

還有一種說法是，人類對(duì)這種可怕聲音的反應(yīng)（還有比如小孩子的尖叫哭聲）與史前時(shí)代靈長(zhǎng)類動(dòng)物接收到警告聲的反應(yīng)類似，屬于是殘留反射的一種。有人還因此研究勇奪了搞笑諾貝爾獎(jiǎng)。

當(dāng)然，以上可以算是拋磚引玉?？赐炅艘陨嫌懻撝蟋F(xiàn)在想請(qǐng)大家思考一下：聽到了刮黑板聲音的聾子也會(huì)一樣難受嘛？

參考資料：

[1]Grima: A Distinct Emotion Concept? - Frontiers

[2]Christoph ?Reuter; Michael Oehler (2011). "Psychoacoustics of chalkboard ?squeaking". Journal of the Acoustical Society of America. 130 (4): 2545.

[3]Fingernails on a Chalkboard Garner Psychologist Ig Nobel Prize

by 十七

Q.E.D.

Q4

化學(xué)元素為什么要分主族和副族?

by Gemma

答：

開局元素周期表鎮(zhèn)樓。

這可以用核外電子排布來解釋。

我們知道，描述原子中的電子需要四個(gè)量子數(shù)：主量子數(shù)n、角量子數(shù)l、磁量子數(shù)和自旋磁量子數(shù)，其中與能量有關(guān)的是前兩個(gè)。與主量子數(shù)關(guān)聯(lián)的是電子層數(shù)，層數(shù)越低能量越低，因此電子傾向于先填充較低的電子層。與角量子數(shù)關(guān)聯(lián)的是s、p、d、f等殼層。s殼層有1條軌道，p殼層有3條，d殼層有5條……每條軌道最多填充兩個(gè)電子。

按照電子填充的順序，主族元素有這樣的規(guī)律：第幾周期就是有幾層電子，第幾主族就是最外層有幾個(gè)電子。也就是說，對(duì)于第n周期的主族元素，最外層電子就是按照ns--np的順序填充。前三周期只有主族元素，依次的填充順序也就是1s——2s——2p——3s——3p。但是到了第四周期，3d電子還沒來得及填充，但是4s的能量要比3d的能量更低，因此首先填充了4s（也就是鉀和鈣元素）。由于4p的能量又比3d更高，所以接下來填充3d軌道——注意，這時(shí)新填充的電子并不在最外層！從鈧到鋅，它們的最外層都是兩個(gè)4s電子，區(qū)別則是第三層填充的3d電子數(shù)目不同。因此把它們放在了副族。下面幾個(gè)周期的情況類似。副族元素都是新填充的電子不在最外層。

by 藏癡

Q.E.D.

Q5

三體里的智子本質(zhì)上是什么？

by 深海遺夢(mèng)

答：

按照原著的設(shè)定，它是一種可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控的智能粒子。制作過程大致是，將現(xiàn)實(shí)中存在的質(zhì)子（一種微觀粒子）做二維展開后，在上頭刻蝕電路，寫入程序，再重新回到三維。

從“二維展開”這一步起，就已經(jīng)超出目前人類科學(xué)能解釋的范疇了?！皩?shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控”更是突破了相對(duì)論對(duì)信息傳輸?shù)南拗?。這里強(qiáng)調(diào)一下，目前的量子通訊是不能做到超光速傳輸信息的。當(dāng)然，要想實(shí)現(xiàn)超光速，理論上可以構(gòu)建一個(gè)三維空間中的蟲洞（愛因斯坦-羅森橋），這相當(dāng)于在更高維度給三維空間開一條捷徑，讓信息通過捷徑傳輸，從而突破光速限制。

不過落到實(shí)處，智子的原型——質(zhì)子還是有很多有趣的故事的，這其中就包含了人類對(duì)微觀世界的波瀾曲折的探究史。1897年，湯姆遜從陰極射線中發(fā)現(xiàn)質(zhì)量極其微小的電子，由此揭開了人們對(duì)基本粒子的研究。1908年到1913年，盧瑟福用α粒子散射實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子的正電部分是一個(gè)在空間中只占極小部分的原子核。1918年，盧瑟福用α粒子轟擊氮?dú)?，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了氫原子核。這使盧瑟福意識(shí)到氮原子核中有氫原子核的成分，氫原子核是一個(gè)更基本的粒子，于是他將其命名為“proton”，取自希臘單詞“πρ?τον”，意思是“第一”。

這僅僅是人們對(duì)質(zhì)子研究的開始。1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子n。1950年，安德森小組發(fā)現(xiàn)Λ粒子。之后人們發(fā)現(xiàn)了又一堆性質(zhì)很相似的粒子，并將它們歸類成重子八重態(tài)，另外還有重子十重態(tài)。

這18個(gè)重子為什么會(huì)有這樣的規(guī)律？這種類似元素周期表的排布是否暗含了更深層次的結(jié)構(gòu)？答案是肯定的。1964年，蓋爾曼和茨威格將這些重子拆成由三個(gè)夸克組成的粒子，完美解釋了八重態(tài)和十重態(tài)的存在。

至此我們可以肯定地說，質(zhì)子是由三個(gè)夸克組成的，分別是兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克。但對(duì)質(zhì)子的研究還遠(yuǎn)沒有結(jié)束，它會(huì)衰變成更輕的粒子嗎？為什么用蘭姆位移的光譜學(xué)方法測(cè)得的質(zhì)子半徑，和用散射實(shí)驗(yàn)測(cè)得的質(zhì)子半徑會(huì)有顯著差異？我想，在人類造出智子前，還是得先好好搞清楚質(zhì)子才行。

by 牧羊

Q.E.D.

Q6

如果兩束光相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于另一束光是不是二倍光速了？

by 愛因斯坦

答：

本題默認(rèn)是在真空中，這是一個(gè)典型的相對(duì)論問題。在討論接近光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，我們所依據(jù)的是光速不變?cè)恚?strong>真空中的光速對(duì)任何觀察者來說都是相同的，與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，因此結(jié)論往往是反常識(shí)的。所以，根據(jù)光速不變?cè)砜梢灾苯拥贸觯阂皇庀鄬?duì)于另一束光的速度仍然是真空光速。

為了更清楚地討論這個(gè)問題，我們建立三個(gè)參考系：靜止的觀察者S，沿x軸正方向以光速c前進(jìn)的光S'和沿x軸負(fù)方向前進(jìn)的S''。在S系里，我們觀察到S'的速度為c，而S''的速度為-c（符號(hào)只表示方向）。接下來我們用洛倫茲變換把S''的速度變換到S'系里：

計(jì)算結(jié)果告訴我們，S''相對(duì)于S'的速度還是光速c。當(dāng)然，這還是很反常識(shí)。相對(duì)論要求一切物理定律在每個(gè)慣性系中得到相同的結(jié)果，這就必然導(dǎo)致不同參考系中的同一物理量（比如時(shí)間流速）是不同的。我們的常識(shí)往往被牛頓的時(shí)空觀所束縛，想當(dāng)然地認(rèn)為時(shí)空是絕對(duì)的，認(rèn)為速度可以簡(jiǎn)單地線性相加，認(rèn)為力的傳遞是瞬時(shí)的，但這些都是不符合科學(xué)的。

最后的最后，這問題真的是愛因斯坦問的嗎？^_^

by 黃水機(jī)

Q.E.D.

Q7

如果有一個(gè)一光年長(zhǎng)的棍子，那我在一端推一下，另外一端的人多久能感覺到？by 孜

答：

你可能會(huì)覺得棍子能瞬間把一端的推力傳遞過去。但事實(shí)上，這個(gè)推力在組成棍子的原子間是這樣逐個(gè)傳遞過去的。

推力的本質(zhì)是電磁力，而電磁相互作用是受制于光速限制的。上一層原子位移發(fā)生所改變的電磁場(chǎng)，要以光速才能傳播到下一層原子。而且，固體中這種振動(dòng)的傳播速度很大程度上取決于原子間的緊密程度，這可以用彈性模量和密度來表示。說得更直白點(diǎn)，這其實(shí)就是聲音的傳播模型，可以套用聲速的公式來描述，

其中上面的p是彈性模量或者壓強(qiáng)，下面是密度，右下標(biāo)的s表示對(duì)絕熱等熵過程求偏導(dǎo)。

對(duì)于一根鐵制棍子，聲音的傳播速度大概是5km/s。那么推一下一光年長(zhǎng)的鐵棍，另一端大概要6萬年才能感覺到。

by 牧羊

Q.E.D.

Q8

物理學(xué)的盡頭是哲學(xué)嗎？

by 弘毅

答：

物理學(xué)的盡頭不一定是哲學(xué)，但物理學(xué)家的盡頭卻可以是哲學(xué)（神學(xué)）家??

例如，著名的艾薩克·牛頓，其最重要的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)定律卻是在一本名字里連物理都沒有的書《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》里面提出的，偏偏這個(gè)書名反而既包含哲學(xué)，又包含數(shù)學(xué)。而牛頓老先生所就讀的劍橋大學(xué)三一學(xué)院，從其名稱中所含的“三一”(Trinity)就可以發(fā)現(xiàn)其與神學(xué)的千絲萬縷的聯(lián)系，而這也就不難令人信服據(jù)考牛頓一生在神學(xué)方面也頗有造詣的事實(shí)了。

再來看一位偉大的物理學(xué)家，愛因斯坦，收錄其思想成果的《愛因斯坦文集》中，充斥著大量的哲學(xué)討論與哲學(xué)思想?？梢?，對(duì)于大神來說，研究物理的同時(shí)順便兼職一個(gè)哲學(xué)家，好像也沒什么困難的??

至于物理學(xué)的盡頭究竟是啥，或許就像某著名微電影《星空日記》 （豆瓣）里面老教授所說，“To Infinity and Beyond”科學(xué)的征途是星辰大海，所以小編也信口胡謅兩句：“或許還為時(shí)尚早”??

by Callo

Q.E.D.

Q9

為什么我給中二所的提問/留言中二所看不到？

by 靜*露2

答：

每個(gè)提問我們都會(huì)看的，從2016年問答專欄開始起，截至寫稿日我們已經(jīng)收到61482條提問了。鑒于我們的答題精力有限，不可能把所有讀者的提問都顧及到，所以還請(qǐng)理解。

在這里也抖抖咱問答團(tuán)隊(duì)的工作流程。一般每周我們會(huì)收到一兩百條讀者提問，但是：

1.有相當(dāng)一部分提問是ill-defined的，無法定義成一個(gè)清晰明確的問題。比如“為什么總覺得橘子和柚子那么像”，這種問題因人而異。又比如“斥力究竟是一種什么力？有公式可以描述斥力與某種物理量之間的關(guān)系嗎？”，這種問題過于寬泛，很難定位到是同種電荷的斥力還是同名磁極的斥力，所以也不好做出準(zhǔn)確回答。

2.還有一部分把我們當(dāng)成樹洞提問，諸如“為啥我晚上睡不著覺，白天聽老師講課就困？”這樣富有深度的提問，我只能直呼我也想知道。

3.此外有部分問題我們其實(shí)已經(jīng)回答過了，比如“為什么兩個(gè)影子接近時(shí)會(huì)變形吸附過去”，我們?cè)谝粋€(gè)月前的No.332 Q3就答過了。讀者們可以善用公眾號(hào)的搜索功能。

這樣篩下來，每周我們會(huì)形成大概三十多道題的題庫，然后交給編輯部里各位喜愛頭腦風(fēng)暴的同學(xué)認(rèn)領(lǐng)。一般我們會(huì)保證每期答八道題，每個(gè)回答也力求在科學(xué)準(zhǔn)確和通俗易懂間找到平衡。有時(shí)，讀者們對(duì)某個(gè)問題的留言補(bǔ)充也會(huì)給我們一些額外的收獲。所以，每條提問和留言我們都有專人查收噠。

by 牧羊

Q.E.D.

#本期答題團(tuán)隊(duì)

黃水機(jī)、牧羊、十七、藏癡、Callo

#點(diǎn)擊這里或識(shí)別下方二維碼快速提問

編輯：牧羊