为什么泡面能泡软？你可能懂了，但不是真的懂| No.317
泡面是一种很神奇的食物
长时间不吃又想吃
吃了又反感
不过为什么
脆脆的泡面一加热水
就变软了呢？
Q1
天气预报中预报的温度是离地面多少米的温度？
by 匿名
答：1.5米。
我们在天气预报中看到的气温是由自动气象站给出的，根据国家标准，自动气象站的温度计要被设置在距离地面1.5米的白色百叶窗内，地面应当是草地。这样可以排除风速、阳光直晒和地面的影响，同时1.5米大约是成年人头胸部的位置，相对比较有参考意义。
参考资料：
GB/T 33703-2017, 自动气象站观测规范[S]
QX/T 45-2007, 地面气象观测规范[S]
by 藏痴
Q.E.D.
Q2
新冠抗原检测试剂盒是利用什么原理显示出结果的？
by Eric·Xu
答：试剂盒是利用的是免疫，生物体在外源蛋白的刺激下，产生出特异性识别该外源蛋白的抗体。如果外源蛋白是来自于其他物种的抗体，也可以产生识别该抗体的抗体，也就是通常所说的二抗。在新冠病毒的识别中，一抗可以是识别病毒衣壳蛋白的鼠源抗体（将病毒衣壳注射进小鼠体内，小鼠产生的抗体），二抗便可以是是识别该鼠源抗体的兔源抗体（将鼠源抗体纯化后，注射进入兔子体内，兔子产生的抗体）。
Fig1 一抗二抗识别机制 而抗体可以利用化学反应加上特异性的标签，使其便于识别，试剂盒中通常使用粉色的胶体金或乳胶颗粒
Fig2 胶体金不同尺寸有不同颜色 在正常情况下，病毒会识别细胞表面受体，进入细胞，在细胞中完成核酸复制、壳蛋白表达、壳蛋白和核酸组装，最后以病毒颗粒形式释放出细胞，感染其他细胞，新冠病毒感染呼吸道细胞也是同样的过程。
Fig3 病毒在细胞内扩增 拭子刮取鼻腔或者口腔，刮取下来的主要是上皮细胞，以及很少量病毒颗粒。我们将刮取过的拭子加入裂解液中，利用高盐和去垢剂来破坏细胞膜，获得细胞内容物，如果细胞已经被感染，这时细胞内也会有病毒蛋白表达，便会溶解在溶液中。
试剂盒的模式图如图，底板提供支撑，样品垫吸收滴加进去的裂解液；偶合物垫里含有胶体金或者显色乳胶标记的抗病毒抗体；T线喷涂固定有抗病毒抗体；C线喷涂固定有抗“抗病毒抗体“的抗体，就是之前说的二抗；吸水垫是最后的多余液体的吸收处。
当你把样品滴加进去之后，湿润样品垫与偶合物垫，让偶合物垫里的抗体去识别你的溶液中是否有抗原，如果有会结合抗原形成复合物溶解在溶液中，如果没有便会以单体形式溶解在溶液中。然后溶液会在NC膜（硝酸纤维素膜）上进行层析。
最后附一下核酸检测和抗原检测的效力比较:
by 某大型裸猿
Q.E.D.
Q3
为什么泡面泡泡就软了
by 瓦格恩头目
答：简单来讲是由于方便面面饼中淀粉的吸水糊化作用。期间淀粉分子之间的氢键断裂，转为与水分子成氢键，淀粉链段可以更加自由运动因此变软。
图1 方便面！（不想整一碗？） 方便面面饼主要由各种面粉制成，比如小麦、大米或荞麦粉。其中含有的主要成分是淀粉和水，还含有一定比例的蛋白质。蛋白质含量以8.5–12.5%为宜，其形成的网状结构使得面条更具弹性，免于在干燥过程中破碎，此外还可以减少油炸过程中对于脂肪的吸收。
图2 淀粉分子间的氢键示意 | 图片源于资料【3】 面饼加工时以油炸或热风干燥的方式干燥脱水，含水量从吸水状态的30-50%下降到10%甚至5%以下。此时淀粉分子之间会形成较强的氢键网络，淀粉链段无法自由运动，因此表现出较为干硬的质感。当加水后，水分首先进入非晶部分，进而打破淀粉分子间的氢键并与淀粉分子成键，即发生近似溶解的过程，只是由于淀粉的量较多以及蛋白质网络的支撑仍保持固态的整体形状。
图3 淀粉分子与水成键示意 | 图片源于资料【2】
由于其本质与溶解相似，因此软化的速度往往与温度有关，即一般需要热水冲泡才能有效糊化。然而通过喷雾蒸煮技术可以生产在较低温度与水结合的冷水膨胀淀粉。
参考资料：
[2]Panic, Vesna; Seslija, Sanja; Nesic, Aleksandra; Velickovic, Sava (2013). Adsorption of azo dyes on polymer materials. 67(6), 881–900.
[3]Sudhakar, Y. N.; Sowmya, ; Selvakumar, M.; Bhat, D. Krishna (2012). Miscibility Studies of Chitosan and Starch Blends in Buffer Solution. Journal of Macromolecular Science, Part A, 49(12), 1099–1105.
Cold Water Swelling Starch Market
by 云开叶落
Q.E.D.
Q4
同样由分子构成，为什么玻璃能透光，木板之类的东西不透光？光能穿过原子/分子吗？反射又是怎么回事？
by MH03B_0155
答：材料是否透光的问题同时涉及宏观和微观尺度的影响。微观层面主要是解释光为什么会被吸收、吸收的选择性和材料吸收光后如何反馈。宏观层面则表现出吸收、反射、折射、散射等具体现象，且宏观结构也在影响光被消耗的比例。
图1 光子与固体界面的作用 | 图片源于资料【1】 简单来讲，不同组成或者结构的相的交界面是产生光与材料作用的宏观现象的主要部位。在每一个界面处，光都涉及从某一种介质运动到另一种介质中，此时光作为电磁波，其电场会与材料中原子的核外电子产生作用，即发生电子极化。电子极化会影响光子的能量，体现为光子运动速度的改变，这便是折射产生的原因。
图2 孤立原子能级(a)或能带(b)对于光子的吸收 | 图片源于资料【1】 此外，电子可以吸收特定频率的光子跃迁到高能级，当其从高能级跃迁回基态时会重新释放光子。重新释放的光子如果返回到原介质，就体现为反射光。而介质中的微小的颗粒、气孔、杂物等则会诱发散射现象。一方面，吸收和散射都会消耗光的能量，随着入射深度的增加，光强按照Bouguer定律衰减
其中和分别是吸收系数和散射系数。另一方面，折射率相差较大的界面处会由于反射带来较大的能量损失，损失比例
称为反射系数。
图3 材料吸收系数与电磁波长的关系 | 图片源于资料【1】 首先从宏观对比。玻璃是以非晶态存在的，主要成分是SiO₂以及Na₂O，CaO等氧化物，其主要特征就是原子的排布无规则导致的统计上的均匀性。这一性质使得反射等现象主要只发生在玻璃两侧与空气的界面处，而内部则可以看作完整的均匀介质。木材则含有很多细小的孔隙，而空气与木材本身折射率相差较大，因此由于反射等原因光在界面处会被严重消耗。
图4 木质素部分官能团的近似最大吸收波长 | 图片源于资料【3】 接下来从组分的吸光性质对比。前面提到了电子可以吸收一定的光子跃迁，然而可以吸收什么频率的光子取决于材料是否有特定的能极。玻璃的能带具有较宽的带隙，体现为可见光波段的电子都没有足够的能量将玻璃价带中的电子激发到禁带以上的空轨道，阻止了可见光范围的吸收。而木材中含有的木质素, 是一类复杂的有机聚合物，其中含有丰富的官能团结构。含有共轭羰基、芳香环、碳碳双键等的一些官能团在可见光范围有较强的吸收。综上，光能否通过原子或者分子，主要看能否被吸收。
图5 透明木材的制作原理 值得一提的是，通过去除木质素以及在孔洞中填入与纤维素折射率相近的树脂可以制成透明木材。
参考资料：
[1]田莳. 材料物理性能[M]. 北京航空航天大学出版社, 2006.
[3]Paulsson, M.; Parkas, J. Review: Light-induced yellowing of ligninocellulosic pulps-mechanism and preventive methods. Bioresources 2012, 7, 5995–6040.
[4]Sadeghifar H, Ragauskas A. Lignin as a UV Light Blocker-A Review. Polymers (Basel). 2020 May 15;12(5):1134.
by 云开叶落
Q.E.D.
Q5
光能是如何转化为热能的?
by 十分好奇的准高一学生
答：这个问题等到学到高中物理选修3-5之后就很清楚啦。
从宏观上看，根据能量守恒定律，能量不会凭空产生或消失，只会从一种形式转化为另一种形式，或从一个物体转移到另一个物体。光能被物质吸收后，转化为了物质的内能，一般认为，热能就是一种内能，因此也可以说转化为了热能。内能增加，直观的表现就是温度升高，所以被太阳晒到会感觉热。
从微观来看，光具有波粒二象性，既有波动特性，又有粒子特性，光能便是光子携带的能量；内能的微观表现便是构成系统所有分子无规则运动动能、分子间相互作用势能、分子内部以及原子核内部各种形式能量的总和。构成物质的微观粒子（这里我们只考虑原子，实际上在高中学习中会做细分）处于一系列分立的能级，当光子的能量恰好等于两能级之差时，原子便会吸收光子，从低能级跃迁至高能级，物质的内能增加。
将上述微观过程反过来，原子从高能级跃迁至低能级，同时产生光子，这便是热能转化为光能的过程，也就是热辐射。人体、桌子、板凳，所有物质每时每刻都在做热辐射，只不过大多数辐射能量较低，光子频率低于可见光范围，但可通过特定的仪器探测吸收这些辐射出的光子，这便是红外探测器的工作原理。
氢原子能级示意图，图中的箭头代表氢原子从高能级跃迁至低能级的过程。 by 乐子超人
Q.E.D.
Q6
既然热量无法从低温物体自发传导到高温物体，那最初的物理学家和化学家是用什么方法制取液氮等制冷剂的?
by 铯原子钟
答：液氮和液氦都是由氮气、氦气液化而来的。既然聊液化这种相变，那就来看一下相图。对于大多数气体，我们都可以在P—T相图上找到一个特殊的临界点。典型如下面给出的水的P—T相图。临界点右上方，由于温度和压强都足够高，因此气体和液体的区别变得模糊，成为超临界流体。
当液体温度低于临界温度时，液化某种气体只需要大力出奇迹——加压——就可以了，干冰作为一种常用的制冷剂，就是将二氧化碳加压液化后得到的液体进一步凝固得到的。
对于临界温度低于室温的气体，比如氮气、氧气、氦气，就不能简单地加压液化。现代工业制液氮通常使用液态空气分馏法，也就是将空气降温，根据不同成分的沸点高低不同，沸点最高的最先液化并被分离。但是，这并不是早年科学家第一次获得制冷剂的方法。
在低温物理学发展史中，荷兰科学家卡末林·昂尼斯贡献卓著。他首先液化了氢气、氧气、氦气等气体，并首先发现了超导现象。昂尼斯在液化氦气的过程中使用的装置叫做林德-汉普逊循环，这个装置的原理则是著名的焦耳-汤姆逊效应。因为大家都不想看公式（不是我不想敲），就只用语言简单叙述一下焦—汤效应的内容。
装有节流阀的绝热管中，节流阀左侧气体压强较高，右侧压强较低。当左侧气体被活塞推到节流阀右侧时，气体的焓不变，这个过程叫做节流过程。节流过程前后气体的温度会发生变化（可能增加也可能降低），这就是焦耳—汤姆逊效应。根据热力学第一定律可以定义出一个焦汤系数，代表等焓过程气体温度随压强的变化率。在一定温度和压强区间内，氦气的焦汤系数处于节流过程的制冷区，可以用于将氦气降温、液化。
焦—汤效应原理图示，底图源于参考链接 参考资料：
[4] 汪志诚，热力学·统计物理（第五版）[M]，高等教育出版社，2013
by 藏痴
Q.E.D.
Q7
核聚变为什么难实现可控?
by 薛定谔的猫
答：核聚变：指质量小的原子，主要是指氘，在超高温和高压下，核外电子摆脱原子核的束缚，两个原子核互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核（如氦），而总质量会损失，损失的质量就变成了大量的能量释放出来。
核聚变示意图 核聚变就是我们俗知的“氢弹”的原理，而可控核聚变类似于控制“氢弹爆炸”的过程，让能量持续稳定的输出，这到现在还是困扰科学家的超级难题。
难点一：保持超级高的温度。要使两个原子核发生聚变反应，必须使它们彼此靠得足够近，而这需要几千万度以上的高温，因为在这个温度下等离子气体（等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态，在核聚变反应中物质都以等离子体的状态态存在）中的部分原子核才能能进行聚变反应，并且温度越高聚变反应进行得越快。
难点二：让反应堆等离子体保持自持。处于高温下的等离子体的不稳定性，使它只能被约束一个很短的时间。为了使足够数量的等离子气体发生聚变反应，并能自持下去，就必须对参与反应时的等离子气体的密度和实现对它可靠的约束时间之间有一个要求，即劳逊条件（见参考文献）。
难点三：核材料的苛刻条件控制。以氘氚核聚变反应为例。由于氚（T）的半衰期短，不存在天然氚，人工制造非常昂贵，所以聚变堆中的氚都需要循环利用，类似于反应中的催化剂。如下图所示
消耗氚示意图 产生氚示意图 但是，目前的反应堆氚的消耗/增殖比很低并且反应壁会和等离子体直接接触，滞留大量的氚。所以需要苛刻的条件控制，否则氚越用越少，直接会导致等离子体熄灭停堆。
可控核聚变尚未成功，同志仍需努力啊！
注：本文的核聚变指的托卡马克装置实现的核聚变，其余方法仍在理论预测阶段，此处不展开讨论。
参考资料：
武佳铭.可控核聚变的研究现状及发展趋势[J].电子世界,2017(21):9-13.
by justiu
Q.E.D.
Q8
如果我以光速运动会看到怎样的景象呢？
by 初中毕业啦
答：如果你能以光速运动，周围的事物也都在以光速向你迎来。由于钟慢效应，你看周围的事物，会感到它们的时间被冻结。同时，在平行于运动方向上，由于尺缩效应，它们还会变得无限扁。因为这个平行运动方向上的尺度被无限收缩，所以以我贫瘠的想象力来看，这时你眼里的宇宙大概会变成二维平面。但比较遗憾的是，在多普勒效应下，你身后的光线频率会变成0，身前的光线频率会变成无穷，这都超出了人眼的视觉感知范围。
嗯，以上是根据狭义相对论想象出来的景象。但问题在于，狭义相对论还指出，除非你的质量为0，否则你只能无限接近光速而不可能达到光速。不过对于接近光速的高速运动，例如0.99倍光速的情况，事情会变得更有趣。
一个高速运动的自行车手会变成什么样？| 左图：伽莫夫《物理世界奇遇记》右图：两颗熟李子@bilibili 你可能会认为，世界大概就是变得扁了一些，就像上面的左图。确实，大概爱因斯坦也是这么想的。但1959年，Terrell指出，变扁的是“测量形象”，真正看到的“视觉形象”在变扁的同时还会带点旋转和扭曲，就像上面的右图。
“测量形象”是被观测物在观测者参考系的同一时刻的位置构成的形象，而“视觉形象”还要考虑物体上各点发出的光到达观测者的时间差，换句话说，真正看到的形象，是由被观测物上各点发出同时到达观测者眼睛的光线组成的。比如你现在看到的是8分钟前的太阳，是8.6年前的天狼星。离你越远的物体，你看到的形象在实际时间中就越往前推。所以在上图中，你看到的自行车手的左腿会比他的右腿时间上滞后，头也会比脖子更滞后。
这种时间差会让有厚度的物体看起来变“长”。如果被测物是一个球或者立方体的话，测量形象的尺缩和光线同时到达的时间推迟导致的延长几乎能互相抵消。
立方体的Terrell转动：如果达到光速，视觉形象会变成扭曲的二维平面 | Wikimedia Commons 同样的道理，靠近你的物体的“视觉形象”会变快，而远离你的物体的“视觉形象”会变慢。
以不同速度看到“视觉形象”的快慢 | Wikimedia Commons 是不是很有趣？MIT的科学家们专门为此开发了一款游戏，模拟了你接近光速移动时的Terrell转动和多普勒效应，感兴趣的同学可以去(A Slower Speed of Light – MIT Game Lab)下载玩玩。（正经玩游戏的理由又增加了）
游戏图示：当我向左高速运动时，右侧的光变暗且红移，而左侧的光变亮且蓝移。其中，左侧的红光是红外线被蓝移进入可见红光波段的结果。 参考资料：
赵凯华,罗蔚茵.新概念物理教程·力学[M].北京:高等教育出版社,2004,383
!!Con 2018: Ray-tracing and special relativity
by 牧鱼
Q.E.D.
#投票
#本期答题团队
藏痴、某大型裸猿、云开叶落、乐子超人、justiu、牧鱼
#点击这里或识别下方二维码快速提问
#上期也精彩
编辑：穆梓
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
9. 当物理遇上人工智能...
10. 爱你，就把亲亲的压强算清楚一点
点此查看以往全部热门文章