Q1

為什么在被浸濕又晾干的紙上用鋼筆寫字會(huì)把字跡暈開(kāi)？

by 愛(ài)物理的張同學(xué)

答：

首先我們先來(lái)看看紙?jiān)诒唤裼至栏蛇@個(gè)過(guò)程中發(fā)生了什么：當(dāng)水浸濕紙張時(shí)，由于組成紙張的纖維分子具有親水羥基，使得水分子能夠進(jìn)入纖維分子之間的間隙，破壞了纖維分子之間原本的氫鍵，且紙?jiān)诹栏傻倪^(guò)程中，纖維分子不同部位水的蒸發(fā)速度不同，在晾干后紙張纖維間結(jié)合力降低，孔隙變大，紙張變得疏松多孔，使得紙張吸水性增強(qiáng)。

接下來(lái)我們?cè)倏匆幌聻槭裁词卿摴P的字跡會(huì)被暈開(kāi)。日常我們書寫用到的墨水有三種：油性、中性和水性墨水。圓珠筆一般采用油性墨水（不過(guò)也有一部分圓珠筆采用水性墨水），簽字筆一般采用的是中性墨水，而鋼筆則普遍采用水性墨水，這三種墨水種類和性質(zhì)差別很大，我們可以很明顯地感受到，鋼筆所用的水性墨水流動(dòng)性最強(qiáng)，其他兩種墨水質(zhì)地更加粘稠，因此在同樣的紙張情況下，鋼筆寫出來(lái)的字跡暈染更加明顯，更容易進(jìn)入紙張纖維的縫隙之間。

以上兩個(gè)因素的共同作用導(dǎo)致我們覺(jué)得在被浸濕又晾干的紙上用鋼筆寫字會(huì)把字跡暈開(kāi)。

參考資料：紙濕潤(rùn)過(guò)后再曬干，為什么會(huì)變皺變硬？

by 懶懶的下午三點(diǎn)半

Q.E.R.

Q2

為什么吃菠蘿要先在鹽水里泡？鹽水濃度多大最合適？

by 菠蘿真好吃啊啊啊啊

答：

這是因?yàn)椴ぬ}中含有一類統(tǒng)稱為“菠蘿蛋白酶”的物質(zhì)，它會(huì)切斷蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中的肽鍵，使其水解為多肽。當(dāng)我們咀嚼菠蘿時(shí)，菠蘿蛋白酶就會(huì)破壞口腔粘膜的結(jié)構(gòu)，如果一次食用的菠蘿較多，口腔甚至食道都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺痛感、灼燒感。所以在食用菠蘿前，需要首先設(shè)法去除菠蘿蛋白酶，而去除的最佳方案就是讓其失活。菠蘿蛋白酶的有效溫度大約為40~60℃，有效pH值大約為4.0~8.0，所以想使其失活，可以創(chuàng)造一個(gè)高溫或者過(guò)酸過(guò)堿的環(huán)境。使用鹽水浸泡菠蘿，就是為了調(diào)整環(huán)境的pH，起到使酶失活的作用?？吹竭@里聰明的你肯定會(huì)問(wèn)，家里食用鹽的主要成分是NaCl，怎么著也只能創(chuàng)造中性的環(huán)境呀。沒(méi)錯(cuò)，若是使用NaCl溶液浸泡菠蘿，效果確實(shí)不明顯，如果將NaCl換成小蘇打（碳酸氫鈉，NaHCO?）或是蘇打（碳酸鈉，Na?CO?）加入水中，量不用太多，1~2小勺就能使溶液呈現(xiàn)弱堿性，或者使用高于60℃的熱水浸泡菠蘿，也可以破壞酶的結(jié)構(gòu)，達(dá)到失活的目的。不過(guò)以上方法多少會(huì)對(duì)菠蘿的口感產(chǎn)生影響，如果你的時(shí)間充足，可以將高溫處理后的菠蘿放入冰箱冷藏后再食用，或者干脆做一道菠蘿咕咾肉，豈不美哉。

參考資料：

[1] 菠蘿蛋白酶

[2] 「吃菠蘿前用鹽水泡一下」是為什么？

[3] 當(dāng)你吃菠蘿的時(shí)候，其實(shí)菠蘿也正在“吃”你！

by Eric

Q.E.R.

Q3

水泥是由于什么原理結(jié)成塊的？

by 不是我

答：

常見(jiàn)的硅酸鹽水泥熟料是以石灰石、粘土、鐵質(zhì)原料等（如氧化鈣、二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵等化學(xué)原料）按適當(dāng)比例配制成生料，燒至部分或全部熔融，并經(jīng)冷卻而獲得的半成品。其主要成分是硅酸三鈣（3CaO·SiO?）約50%、硅酸二鈣（CaO·SiO?）約25%、鋁酸三鈣（3CaO·Al?O?）約10%等。

下面以混凝土的形成過(guò)程說(shuō)明水泥結(jié)塊的原理，混凝土成分為水泥、水和砂石，水泥在混凝土中作用是將砂石“粘”在一起。由水泥變成混凝土的過(guò)程根據(jù)熱量變化可以分為五個(gè)階段：

第一階段：在添加水后，熟料的溶解會(huì)放出熱量，時(shí)間為數(shù)分鐘量級(jí)；

第二階段：會(huì)出現(xiàn)休眠期，溫度沒(méi)有明顯上升，這一階段持續(xù)1到3小時(shí)，這一階段的存在便于混凝土的運(yùn)輸；

第三階段：水泥會(huì)和水發(fā)生反應(yīng)，最先起主導(dǎo)的是硅酸三鈣，發(fā)生如下反應(yīng)：

隨著反應(yīng)進(jìn)行，氫氧化鈣飽和后析出結(jié)晶。同時(shí)由勒夏特列原理，不斷生成硅酸鈣水合物，硅酸鈣水合物晶體不斷變厚，會(huì)漸漸將水與硅酸三鈣隔開(kāi)，隨著時(shí)間的推移水合物層變厚，導(dǎo)致硅酸鈣水合物的生成變得越來(lái)越慢。硅酸二鈣也會(huì)生成同樣產(chǎn)物，但是由于活性較硅酸三鈣更低，反應(yīng)速度更慢。

第四階段：這一階段和上一階段末混凝土逐漸變硬。氧化鋁和氧化鐵的反應(yīng)的貢獻(xiàn)略?。?/p>

第五階段：約30小時(shí)后，反應(yīng)逐漸變慢，但是只要有水和未水合的硅酸鹽，反應(yīng)會(huì)繼續(xù)發(fā)生。

可以看出水的配比是至關(guān)重要的，水過(guò)多會(huì)影響其硬度，水過(guò)少則會(huì)提前干燥導(dǎo)致不能充分反應(yīng)。并且混凝土的強(qiáng)度變化是個(gè)緩慢的過(guò)程，一般需要較長(zhǎng)時(shí)間（28天）監(jiān)測(cè)硬度。

參考資料：

1. 水泥熟料
2. scientific priciples

by yrlewis

Q.E.R.

Q4

請(qǐng)問(wèn)人冬天時(shí)為什么要穿很多衣服來(lái)保暖？人也是動(dòng)物進(jìn)化來(lái)的，可動(dòng)物一年四季都只靠皮毛而已，這算退化嗎？這種變化有什么好處？by 匿名

答：

這當(dāng)然是一種進(jìn)化，我們也因此被稱為裸猿（the Naked Ape）。

人類是非洲發(fā)源的，智人的祖先是毛茸茸的，參考我們的表親大猩猩們，在進(jìn)化的過(guò)程中我們才逐漸失去了大部分又粗又長(zhǎng)的體毛，取而代之的是遍布身體細(xì)小毛發(fā)（看你手背上細(xì)小的毛發(fā)），并且毛發(fā)的密度也發(fā)生了顯著的下降：頭頂大概每平方厘米有350個(gè)毛囊（不考慮禿頂人士），背部每平方厘米65個(gè)毛囊，胸口每平方厘米75個(gè)毛囊。

之前有很多假說(shuō)來(lái)猜測(cè)智人為何失去了體毛：性選擇壓力、進(jìn)化過(guò)程中的水生經(jīng)歷、寄生蟲、衣服的使用……在這么多假說(shuō)中，被廣泛接受的便是毛發(fā)的減少，會(huì)提高體溫調(diào)劑能力。伴隨著身體毛發(fā)的減少，和外泌汗腺分布的擴(kuò)大，人類擁有了無(wú)與倫比的體溫調(diào)控能力，可以非常好的適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的高溫和長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)（人類的耐力是極為優(yōu)秀的，在高溫環(huán)境中吊打大部分哺乳動(dòng)物）。百萬(wàn)年前，人類祖先從樹林前往炎熱的稀樹草原的過(guò)程中，這一無(wú)毛少毛的性狀，是非常優(yōu)秀和必要的。而隨后在人類向非洲以外的地區(qū)擴(kuò)散過(guò)程中，由于人類已經(jīng)學(xué)會(huì)了利用動(dòng)物皮毛裹體取暖，并且缺乏體毛可以很好的避免外寄生蟲，無(wú)毛表型被選擇了下來(lái)，人類一直“裸”到了現(xiàn)在。

當(dāng)然在部分部位有例外，智人茂密的頭發(fā)（沉默……）和雄性智人的胡須，依然是又長(zhǎng)又硬又粗還很濃密。至于雄性人類為何保留了胡須，流行的觀點(diǎn)認(rèn)為這是性選擇的結(jié)果。毛發(fā)的生長(zhǎng)受雄性激素調(diào)控，面部胡須的旺盛意味著雄激素水平更高，所以保留的胡須可以作為吸引雌性的裝飾品以及雄性自身身份地位的象征，這和雄鳥擁有鮮艷的羽毛是同一個(gè)道理。

參考資料：

[1]Sandel. Brief communication: Hair density and body mass in mammals and the evolution of human hairlessness. American journal of physical anthropology. 2013.

[2]Dixson et al. Cross-cultural variation in women's preferences for men's body hair. Adaptive Human Behavior and Physiology. 2019.

[3]Dixson et al. The Role of Facial and Body Hair Distribution in Women's Judgments of Men's Sexual Attractiveness. 2016.

by 某大型裸猿

Q.E.R.

Q5

超導(dǎo)體中的電流上限是多少？（電流大小和電子大小、超導(dǎo)體的形狀和半徑、電壓大小，電子運(yùn)動(dòng)軌跡是否有關(guān)？）by 匿名

答：

先說(shuō)結(jié)論，超導(dǎo)體的形狀和半徑是會(huì)影響到其超導(dǎo)電流上限的。一般而言，材料的電阻來(lái)自電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與晶格發(fā)生的散射（即與材料中的聲子發(fā)生了散射）。對(duì)于傳統(tǒng)超導(dǎo)體(BCS超導(dǎo)體)，在臨界溫度以下，材料中的電子會(huì)在聲子的誘導(dǎo)下形成庫(kù)伯對(duì)，在超導(dǎo)態(tài)下組成庫(kù)伯對(duì)的電子不斷互相散射，但在這些散射中庫(kù)伯對(duì)的總動(dòng)量是守恒的，所以超導(dǎo)電流可以持續(xù)而不因散射而衰減。

因此對(duì)于傳統(tǒng)超導(dǎo)體，其超導(dǎo)電流密度上限正好對(duì)應(yīng)著破壞庫(kù)伯對(duì)的臨界電流密度。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，可以粗略的估計(jì)出：

其中是超導(dǎo)體的臨界磁場(chǎng)，則是超導(dǎo)體的倫敦磁穿透深度。另一方面，超導(dǎo)體中流過(guò)的電流幾乎全部分布在導(dǎo)體表面的薄層內(nèi)（），所以對(duì)于半徑為的圓柱形超導(dǎo)體，其超導(dǎo)電流上限大約為：

可以發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)電流上限竟然只正比于，而不是，這意味著在做超導(dǎo)導(dǎo)線時(shí)僅僅增加單根導(dǎo)線的半徑是一件相當(dāng)?shù)托У氖虑?，這也是為什么超導(dǎo)導(dǎo)線一般做成下圖的樣子：

當(dāng)然對(duì)于材料本身厚度就小于倫敦穿透深度的超導(dǎo)薄膜以及第二類超導(dǎo)體或是高溫超導(dǎo)體，情況會(huì)復(fù)雜許多，這里就不再介紹了。

參考資料：

[1]章立源，張金龍，崔廣霽. 超導(dǎo)物理學(xué)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，1995:79-80.

[2]張?jiān)：? 超導(dǎo)物理(第三版)[M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009:289-301.

by John Watson

Q.E.R.

Q6

光是具有波粒二象性的，那根據(jù)惠更斯原理，為什么光通過(guò)小孔的時(shí)候還是一束，而不是像花灑一樣？by 匿名

答：

惠更斯原理似乎告訴我們，通過(guò)小孔的光在小孔處會(huì)表現(xiàn)出子波源的性質(zhì)，小孔處的光應(yīng)當(dāng)類似于一個(gè)新的光源，光通過(guò)小孔應(yīng)該完全擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。但是現(xiàn)實(shí)中大部分情況下光束好像直接穿過(guò)了小孔而且依然保持著原本的方向和粗細(xì)。這是為什么呢？

因?yàn)榭撞粔蛐。也ㄩL(zhǎng)太短了，也有可能是實(shí)驗(yàn)條件不夠好。波動(dòng)光學(xué)（菲涅爾衍射）告訴我們，光通過(guò)小孔的時(shí)候，要想顯著地看到光的波動(dòng)性質(zhì)，需要讓菲涅爾數(shù)不遠(yuǎn)大于1。

菲涅爾數(shù)的定義是：.其中是小孔半徑，是小孔到觀察屏的距離，是波長(zhǎng)。

我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降目梢?jiàn)光的波長(zhǎng)是390nm-780nm，考慮一般的光學(xué)實(shí)驗(yàn)孔到觀察屏的距離不會(huì)比1m遠(yuǎn)太多。代入數(shù)值就可以發(fā)現(xiàn)，小孔半徑在零點(diǎn)幾毫米的時(shí)候就可以在觀察屏上看到次級(jí)光斑。這個(gè)時(shí)候，觀察屏上就會(huì)出現(xiàn)類似這樣的圖樣。

這個(gè)時(shí)候，光束的行為就由波動(dòng)光學(xué)支配了。也就是說(shuō)，這個(gè)時(shí)候的光，可以顯著地看出惠更斯原理的效應(yīng)。如果小孔的半徑變得很小，中心最亮的衍射光斑會(huì)變大（當(dāng)然亮度會(huì)變暗），此時(shí)通過(guò)小孔的光就是“花灑”狀的了。

by Luna

Q.E.R.

Q7

有不有可能在月球建立氦3聚變發(fā)電站，通過(guò)高能激光傳輸?shù)降厍騺?lái)解決能源問(wèn)題？by 匿名

答：

這個(gè)項(xiàng)目我王多魚投了

不過(guò)理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。我也不敢說(shuō)它完全不可能實(shí)現(xiàn)，但確實(shí)要面臨很多問(wèn)題，列舉幾個(gè)主要的吧。

第一：可控核聚變。國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)反應(yīng)堆（ITER）2006年就開(kāi)始實(shí)施了，原計(jì)劃建設(shè)10年，現(xiàn)在嘛，可能大概也許是快建好了（果然人類的本質(zhì)是鴿子），ITER現(xiàn)預(yù)計(jì)2025年建成，開(kāi)始等離子體實(shí)驗(yàn)，去年已經(jīng)開(kāi)始最后約5年的組裝。不過(guò)中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆2021年立項(xiàng)，預(yù)計(jì)2035年建成開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，也值得期待。但上述核試驗(yàn)都是氘-氘聚變，氘-氘聚變所需溫度比氦3聚變溫度更低。從容易程度來(lái)看，氘-氘反應(yīng)更容易發(fā)生，其次是氘-氦3反應(yīng)，氦3-氦3聚變反應(yīng)最難發(fā)生。

第二：把聚變裝置以及開(kāi)采氦3的裝置搞到月球上。在這個(gè)星球上出現(xiàn)過(guò)的（恐怕也包括即將出現(xiàn)的）火箭中運(yùn)力最大的是蘇聯(lián)的能源號(hào)運(yùn)載火箭，其地球靜止軌道運(yùn)力為20噸。但這顯然不夠，況且聚變還需要供電系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)等的配合，以及氦3的提取工廠。而現(xiàn)在不要說(shuō)能源號(hào)，即便是土星五號(hào)我們也無(wú)法制造。不過(guò)也有人提出可以去月球上3D打印。

第三：激光傳輸。激光器倒是有，而且功率很高。與ITER配套的美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置（NIF）可以實(shí)現(xiàn)只有幾納秒的超過(guò)500太瓦（~1012瓦）的激光脈沖。即便不考慮激光在大氣層的損耗，但怎么在地球上把光能轉(zhuǎn)化成電能呢，光伏發(fā)電嗎，什么神仙光伏發(fā)電板能承受這樣的激光？

恐怕不是最后的一個(gè)問(wèn)題：地月上的裝置各建在哪？月球繞地球公轉(zhuǎn)，如何才能保證下一次從月球發(fā)出的激光還是射到這次的位置呢？難道要靠“激光斗術(shù)”嗎？

王多魚：最后一個(gè)問(wèn)題好解決，多建幾個(gè)就完了，給全球都建滿嘍，多好的項(xiàng)目啊。