北京
小L到了一家湘菜館準備吃頓好的
一口菜下去被狠狠辣到了?
有一位朋友“適時”端著一杯水過來??
不曾想一口下去
怎么更辣了
問答導(dǎo)航 Q1 為什么水滴到電子屏幕上會顯示彩色紋路？ Q2 為什么吃完辣的喝熱水會感覺更辣？ Q3 地鐵車廂是封閉的，為什么運動起來車廂內(nèi)會有風(fēng)呢？ Q4 為什么有時候膝蓋彎曲時會有“喀嗒”的響聲？骨骼該不會有問題吧？ Q5 想知道電路中的能量是如何在電線里面進行傳播的？ Q6 物理學(xué)的單位是怎么來得？是憑空定義的么？ Q7 剝洋蔥的時候為什么會流眼淚？ Q8 玻璃瓶氣泡水打開喝幾口之后，再擰緊瓶蓋1. 水里會有小氣泡不停的往上冒，為什么？2. 即便搖晃之后，小氣泡還在固定的位置冒，為什么?Q1 為什么水滴到電子屏幕上會顯示彩色紋路？
by 梔氚
答：
這是因為電子屏幕通過紅色、綠色、藍色三色子像素（RGB）的不同亮度組合來顯示不同的顏色。當這些子像素足夠小，我們離屏幕足夠遠時，我們所看到的就是混合后的顏色。在這個問題當中，水滴充當了一個倍率很大的放大鏡，于是我們能夠看到被放大的紅綠藍三色的子像素。
這里我們還可以再拓展一下，為什么可以僅用紅綠藍三色來顯示這么多不同的顏色，它們能顯示出所有的顏色嗎？這要從人眼如何感知顏色說起。
這是一張光譜圖，其橫軸是光的波長，縱軸是光的強度，光譜圖表示了某一光中各種單色光成分的含量，理論上一張光譜圖包含了關(guān)于一束光的顏色的所有信息。圖中所示是太陽光的光譜，可以看出在可見光范圍強度分布很均勻。在通常的光譜圖上我們能看到一些譜峰，這些譜峰會有一定峰寬，在實驗室中我們有時也會需要用到譜峰很窄（即單色性很好）的激光。
這張圖展示了我們?nèi)搜鄄煌暭毎?strong>感色能力的差異。橫軸是光的波長，縱軸表示了視細胞對這一波長的光的敏感度。其中黑色虛線是視桿細胞，主要與暗視覺相關(guān)，對波長不敏感，無色覺。三種顏色的實線是三種視錐細胞，是我們的色覺的來源?？梢钥吹饺N細胞的敏感度峰值分別在564nm、534nm、420nm，分別對應(yīng)紅色、綠色、藍色。這些視細胞將接收到的光子轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號，使我們的大腦能夠“看見”。
在這個過程中，我們會發(fā)現(xiàn)，原本一張包含了顏色的所有信息的光譜圖，被我們的視細胞轉(zhuǎn)化成了三個不同強度的神經(jīng)信號（僅考慮顏色），這一過程必然伴隨著信息的丟失。這意味著兩張完全不同的光譜圖在我們?nèi)祟愌壑锌赡苁且粯拥念伾?/strong>，這種現(xiàn)象稱為“同色異譜”，比如紅色與綠色混合而成的黃色與單色的黃色對我們?nèi)祟悂碚f就無法分辨。同色異譜現(xiàn)象正是電子屏幕可以通過紅綠藍三種顏色來模擬出多種不同顏色的主要原因。
然而這并不意味著RGB就能模擬出所有現(xiàn)實中我們所看到的顏色，比如紅色和藍色所混合出的紫色和單色的紫色是不一樣的。這是因為屏幕上的紅綠藍三個子像素的顏色并不是對應(yīng)只刺激紅綠藍三種視細胞，比如紅光或多或少也會刺激到綠光的視錐細胞。下次你在現(xiàn)實生活中看到彩虹的時候，不妨用手機拍一張照看看，能不能看出手機上的藍紫光區(qū)域的顏色和實際看到的有什么不同。
參考資料：
Bowmaker, J K, Dartnall, H J, (1980), Visual pigments of rods and cones in a human retina.. The Journal of Physiology, 298 doi: 10.1113/jphysiol.1980.sp013097.
by 可去奇點
Q.E.D.
Q2 為什么吃完辣的喝熱水會感覺更辣？
by LY
答：
以吃辣椒為例子，其產(chǎn)生辣覺的過程是一種化學(xué)刺激，辣椒含有一種叫辣椒素的脂溶性有機分子，當人吃下辣椒后，辣椒素會刺激并激活人口腔中的辣椒素受體——TRPV1（transient receptor potential vanilloid 1，又稱香草酸受體）。其本質(zhì)是一種電位通道，分布于神經(jīng)系統(tǒng)的感覺神經(jīng)元中，與痛覺產(chǎn)生有關(guān)，被激活時會打開，使得人體產(chǎn)生灼燒式的疼痛感。
TRPV1除了會被辣椒素化學(xué)激活之外，還會被高溫熱激活，因此我們喝熱水時也會刺激TRPV1，使得受體打開概率變高，激活強度變強。而且熱水的溫度還會加快局部血液循環(huán)，讓人體感受到的辣度進一步變強。
此外，由于辣椒素是一種脂溶性的物質(zhì)，其難以溶于水，所以當我們喝熱水時，并不能有效將口腔已有的辣椒素溶解帶走，反而會機械性地增加了其與受體的接觸面積，產(chǎn)生了更大面積、更強烈的感覺。
參考資料：
余紅妹,何曉華,楊國華,等. TRPV1通道在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的功能[J]. 醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)雜志,2010,7(3):275-278. DOI:10.3870/j.issn.1672-8009.2010.03.019.
by 涼漸
Q.E.D.
Q3 地鐵車廂是封閉的，為什么運動起來車廂內(nèi)會有風(fēng)呢？
by 書興
答：
行駛中的地鐵車廂內(nèi)部的風(fēng)可能有多個“源頭”：
第一，地鐵車廂內(nèi)本身設(shè)有空調(diào)系統(tǒng)，當它啟動時自然會有空氣流動。
第二，當列車在隧道中行駛時，前進方向的空氣受到擠壓后壓力升高，一部分向前流動，另一部分則通過列車與隧道之間的環(huán)狀空間向后運動。這種逆著列車運行方向流動的氣流被稱為“活塞風(fēng)”。由于地鐵車廂的氣密性并不完美，當列車高速行駛時，氣流就有可能從車門、車窗和車廂連接處的縫隙涌入，從而被乘客感受到。
第三，當列車在啟動時，加速度較大。由于人們可以通過與座位或地面之間的摩擦力保持與車廂相對靜止，而”無依無靠“的空氣由于慣性只能被”甩“向車尾，這時我們便可以短暫地感受到一陣氣流。
參考資料：
劉紀儉,孟鑫,蘭慧峰,等.地鐵隧道運動列車的活塞風(fēng)特性研究[J].都市快軌交通,2025,38(03):27-34+47.
by Decoherence
Q.E.D.
Q4 為什么有時候膝蓋彎曲時會有“喀嗒”的響聲？骨骼該不會有問題吧？
by 茉立
答：
如果膝蓋彎曲時的響聲響聲出現(xiàn)頻率不高，且不伴隨疼痛感，那么無需過多擔(dān)心，其大概率是生理性彈響。
生理性彈響與骨骼沒有太大關(guān)系，屬于很正常的情況，其本質(zhì)是氣泡破裂聲。關(guān)節(jié)腔內(nèi)有起潤滑作用的滑液，其中會溶解氣體（主要是氮），當我們彎膝蓋活動關(guān)節(jié)時，部分氣體在關(guān)節(jié)表面快速分離形成負壓，進而形成微小氣泡并瞬間塌陷，產(chǎn)生“啪”聲。這一現(xiàn)象在我們長時間不活動，膝關(guān)節(jié)內(nèi)滑液變少時尤為明顯。
膝蓋結(jié)構(gòu)圖 圖源網(wǎng)絡(luò)
但如果出現(xiàn)響聲時伴隨著不適感或疼痛感，那就得多加小心，這有可能時與韌帶或骨骼有關(guān)的病理性彈響，長期出現(xiàn)的話有導(dǎo)致疾病的風(fēng)險。病理性彈響可能出現(xiàn)的原因有：1.韌帶彈響：韌帶、髕腱等軟組織在膝蓋屈伸過程中“卡住”后突然跳脫，產(chǎn)生彈性恢復(fù)的聲音，需警惕軟組織損傷；2.半月板摩擦聲，若半月板存在損傷，會導(dǎo)致關(guān)節(jié)面不平，屈伸時容易產(chǎn)生摩擦聲；3.髕骨位置異常產(chǎn)生撞擊聲等，長期會導(dǎo)致髕骨軟化；4.其他如骨關(guān)節(jié)炎等。
by 涼漸
Q.E.D.
Q5 想知道電路中的能量是如何在電線里面進行傳播的？
by 匿名
答：
說來你可能不信，電路中的能量嚴格意義上并不是在電線“里面”傳輸?shù)?/strong>，而是在電線周圍的電磁場中傳輸?shù)摹；貞浺幌挛覀冃W(xué)二年級學(xué)過的電磁學(xué)知識“坡印廷矢量”，其描述了電磁場中的能流密度，也就是單位時間單位面積通過的能量大小，其被定義為：
其中 和 分別為該處的電場和磁場強度。
雖然總有人調(diào)侃物理學(xué)家總是喜歡研究特別理想的模型，比如著名的“真空中的球形豬”，但很多時候你不得不承認這種簡化的模型很有助于我們理解物理圖景，比如此時我們考慮一個真空中的環(huán)形電路：
PS：希望讀者朋友們現(xiàn)實中千萬不要這么干不然雖然現(xiàn)在是物理課，但你的物理老師依然能夠發(fā)出尖銳的爆鳴聲。
早在幼兒園我們就知道了以上電路中電流會沿著順時針方向流動，小學(xué)一年級老師會教會你環(huán)形的電流會根據(jù)右手定則激發(fā)出磁場、電場的方向和電流的方向一致，那么此時我們能夠畫出此時空間中的電場和磁場分布圖：
PS：當然，導(dǎo)線上還是有電阻的，不然電流就會無窮大啦！
再回憶一下學(xué)前班老師在午休時間講過的矢量叉乘：讓乘號左邊的矢量 穿過你的右手掌心、乘號右邊的矢量 沿著你的右手四指方向，那么此時你的大拇指就指著結(jié)果 的方向（也就是此處電磁場能量流動的方向）！由此我們可以進一步畫出此時空間中的能量流動方向如下：
我們會驚訝地發(fā)現(xiàn)，電能從電源出發(fā)，在導(dǎo)線外面的空間中流動，直到到達導(dǎo)線內(nèi)部并最終以焦耳熱的形式損耗，這個例子也很好地說明了電能實際上是存儲在電場和磁場中的概念。想象一下，你周圍的電器使用的能量實際是從空中“飄過來”的，也是很神奇呢！
參考資料：
趙凱華. 電磁學(xué)（第四版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2018
by 小咕咕
Q.E.D.
Q6 物理學(xué)的單位是怎么來得？是憑空定義的么？
by 匿名
答：
所有的物理學(xué)單位都不是憑空定義的，它們都有現(xiàn)實的依據(jù)。在很古代時期物理學(xué)單位就已經(jīng)被人們定義并使用，而這些單位很大一個特定就是來源于生活。例如時間單位最早源于天文現(xiàn)象，如太陽的每次東升西落稱為日、月相的一個變化周期稱為月、四季的每次更替稱為年；長度單位英尺，其英文為“foot”,也就是腳的長度；長度單位驛，指驛馬一天所能奔跑的路程；面積單位英畝，指牛一天能一天所能犁地的面積。這些單位有些由于其優(yōu)勢至今還在被人在日常生活中使用，有些因為其不精確性與不統(tǒng)一性，而幾乎被人們放棄。
隨著物理學(xué)的發(fā)展，人類在世間萬物認識更加充分，為了得到更精確共統(tǒng)一的單位，在永恒不變的宇宙常數(shù)的基礎(chǔ)上定義了7個基本單位（國際單位制），并由它們根據(jù)物理學(xué)基本定律衍生出其他單位，7個基本單位分別是長度單位米（m）、質(zhì)量單位千克（kg）、時間單位秒（s）、電流單位安培（A）、熱力學(xué)溫度單位開爾文（K）、物質(zhì)的量單位摩爾（mol）、光強度單位坎德拉（cd）。這7基本單位都分別有一個與其對應(yīng)的宇宙常數(shù)，如米定義為光在真空中1/299,792,458秒內(nèi)所經(jīng)過的距離，對應(yīng)光速（c）；安培定義為每秒通過1.602176634 × 101?個電荷，對應(yīng)基本電荷（e）。
by 涼漸
Q.E.D.
Q7 剝洋蔥的時候為什么會流眼淚？
by 好奇寶寶
答：
簡單來說，我們在剝（或切）洋蔥時，洋蔥會產(chǎn)生易揮發(fā)的硫代丙醛亞砜，這種物質(zhì)可以刺激人眼部角膜的神經(jīng)末梢，使人體通過神經(jīng)系統(tǒng)控制淚腺分泌淚液，把刺激物質(zhì)沖走。
洋蔥體內(nèi)有蒜氨酸酶以及丙烯基半胱氨酸亞砜這兩種物質(zhì)。前者存在于液泡中，而后者存在于細胞質(zhì)中。一般情況下它們井水不犯河水。而當我們剝（或切）洋蔥時，就會破壞洋蔥的細胞組織，使得這兩種物質(zhì)有了相遇的機會。這時丙烯基半胱氨酸亞砜在蒜氨酸酶的作用下，產(chǎn)生丙烯次磺酸(方程式見圖1） 。丙烯次磺酸會進一步發(fā)生重排，便生成了讓我們”熱淚盈眶“的硫代丙醛亞砜（方程式見圖2） 。
參考資料：
邢肖肖,邱麗娟.洋蔥騎士的催淚彈[J].大學(xué)化學(xué),2021,36(10):104-108.
楊春芳,左文明,孫漢青,等.洋蔥的化學(xué)成分及藥理作用研究綜述[J].青海草業(yè),2018,27(03):55-59.
by Decoherence
Q.E.D.
Q8 玻璃瓶氣泡水打開喝幾口之后，再擰緊瓶蓋1. 水里會有小氣泡不停的往上冒，為什么？2. 即便搖晃之后，小氣泡還在固定的位置冒，為什么？
by 太狼
答：
這個問題可以拆解成兩個小問題：一是為什么會產(chǎn)生氣泡，二是為什么氣泡會在固定的地方冒出來。我知道這聽起來頗有種“聽君一席話，如聽一席話”的廢話文學(xué)感，但這確實是小氣泡在冒出前必須面對的“能不能”和“怎么能”兩個最關(guān)鍵的問題。
對第一個問題，在打開瓶蓋享用肥宅快樂水以后，哪怕我們及時蓋上了瓶蓋，依然會由于跑掉了一部分氣體導(dǎo)致瓶內(nèi)的氣壓降低，從而使得原先溶解在水里的二氧化碳更傾向于跑出來。用更物理的語言來講，就是此時二氧化碳在空氣中的能量更低，從而其會自發(fā)地從水中脫離出來。 第二個問題則更復(fù)雜一些，氣體從液體表面跑出來容易，但是想在液體內(nèi)部冒出來卻很難：這是由于液體存在表面能，形成一個液體-氣體接觸的表面需要消耗額外的能量。表面能一個非常直觀的例子是水珠，其呈現(xiàn)為球形，就是因為相同體積下球的表面積最小，表面能最小也就最為穩(wěn)定。氣體在液體內(nèi)部冒出時就會受到表面能的阻礙：一方面氣體從液體中脫離會使得體系總能量降低，且降低量與氣泡體積呈正比（也就是與冒出氣泡半徑的三次方成正比），另一方面氣泡的形成會新增一個氣-液表面使體系總能量增加，且增加量與氣泡面積成正比（也就是與冒出氣泡半徑的平方成正比）。兩者相加會發(fā)現(xiàn)：半徑小的氣泡由表面能主導(dǎo)能量增加，氣體傾向于回到液體導(dǎo)致氣泡更小直到消失；半徑大的氣泡由氣體脫離主導(dǎo)能量降低，從而導(dǎo)致氣泡更大最終浮出水面。到這里聰明的讀者發(fā)現(xiàn)了一個問題：大氣泡要從小氣泡而來，但是小氣泡又會直接消失，所以氣泡不就沒法產(chǎn)生了么？
那確實！這也是為什么小氣泡不會到處產(chǎn)生，而是只能從固定的地方產(chǎn)生了！因為這些地方存在凝結(jié)核，凝結(jié)核可以是一些結(jié)構(gòu)上的缺陷，能夠降低新的小氣泡與水的接觸面積從而減小表面能；也可以是一處沒有被水填滿的小凹陷，其中困住了一個小氣泡；甚至可以是你喝水時脫落的口腔上皮細胞、搖晃汽水時甩入的氣泡，只有在這里才能孕育出足夠大的小氣泡，并最終長大為人肉眼可見的大氣泡。
參考資料：
李椿. 熱學(xué)（第三版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2016
by 小咕咕
Q.E.D.
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本期答題團隊
小咕咕、涼漸、Decoherence、可去奇點
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