問(wèn)答餃子新鮮出鍋啦！

為什么可以用飄上來(lái)判定餃子熟了？

對(duì)于其他的，

比如湯圓丸子也適用嗎？

問(wèn)答導(dǎo)航
Q1 奇異博士在復(fù)仇者聯(lián)盟中的預(yù)測(cè)屬于蒙特卡洛模擬嗎？
Q2 為什么濕粉筆在黑板上過(guò)一會(huì)才顯色？
Q3 為什么邊搖晃邊往外拔棍子更輕松？
Q4 為什么踩在松軟雪地上后腳印部分會(huì)結(jié)冰？
Q5 π2和重力常數(shù)g十分接近，是偶然嗎？
Q6 為什么在太空中人是“微重力狀態(tài)”？
Q7 為什么高鐵上方裸露的電線不怕雨雪天或者異物刮擦？
Q8 真空真的是空的嗎？
Q9 為什么飄上來(lái)的餃子就是熟了？為什么飄上來(lái)的餃子就是熟了？湯圓丸子也可以這樣判斷嗎？

Q1 奇異博士在復(fù)仇者聯(lián)盟中無(wú)數(shù)次對(duì)未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，卻只看到了一種打敗滅霸的方法，就是犧牲托尼。我想知道他的預(yù)測(cè)屬于蒙特卡洛模擬嗎？

by Geige

答：

蒙特卡洛模擬是一種用隨機(jī)性解決確定性問(wèn)題的方法。例如要用蒙特卡洛方法計(jì)算圓周率π，我們可以在邊長(zhǎng)為1的正方形中均勻隨機(jī)地生成點(diǎn)，之后我們數(shù)出有多少點(diǎn)落在正方形內(nèi)直徑為1的那個(gè)圓中，這個(gè)數(shù)目與點(diǎn)的總數(shù)的比值的四倍就是我們估計(jì)出的圓周率π。生成的點(diǎn)的數(shù)量越多，估計(jì)得就越準(zhǔn)確。

這種方法適用于要求解的問(wèn)題非常復(fù)雜，或是計(jì)算量十分巨大，難以正面求解，比如統(tǒng)計(jì)物理中的高維積分，這時(shí)候用蒙特卡洛方法往往可以極大簡(jiǎn)化計(jì)算量。但同時(shí)，因?yàn)樗碾S機(jī)性，必須要依靠足夠多的樣本量才能獲得足夠準(zhǔn)確的結(jié)果。

而在《復(fù)聯(lián)三》中，奇異博士是利用時(shí)間寶石，看遍了所有可能的結(jié)局，這是一種遍歷求解，或是枚舉法，得到的答案一定是確定的，而不是蒙特卡洛這樣概率性的。因此，他用的并不是蒙特卡洛模擬。

他真的，我哭死

實(shí)際情況中，如果已經(jīng)知道成功的答案在所有可能性中占比極小，那確實(shí)不太適用普通的蒙特卡洛模擬，這會(huì)消耗巨量計(jì)算資源和時(shí)間，效率極低，還不一定找得到。如果能知道答案的某些特征，那可以使用重要性采樣（比如已經(jīng)知道鋼鐵俠活到了結(jié)局，那可以只在鋼鐵俠活著的可能性中進(jìn)行隨機(jī)）。不過(guò)電影中奇異博士有能力也有時(shí)間（可以加速）枚舉所有可能性，那當(dāng)然就不需要隨機(jī)的蒙特卡洛，可以直接枚舉啦╮(╯▽╰)╭。

by 可去奇點(diǎn)

Q.E.D.
Q2 用濕粉筆在黑板上寫(xiě)字為什么過(guò)一會(huì)兒才顯色？

by LY

答：

濕粉筆在黑板上寫(xiě)字不會(huì)立刻顯色，是因?yàn)樗畷簳r(shí)“弱化”了光的散射，只有在水分蒸發(fā)后，粉筆顆粒重新暴露，字跡才會(huì)變白顯現(xiàn)出來(lái)。

粉筆的主要成分是碳酸鈣，它本身并不“發(fā)白”，我們看到的白色，其實(shí)來(lái)自無(wú)數(shù)微小顆粒對(duì)光的強(qiáng)烈散射。干粉筆在黑板上書(shū)寫(xiě)時(shí)，會(huì)留下大量松散的粉末，這些顆粒之間夾雜著空氣�？諝馀c碳酸鈣折射率差異很大，光在其中發(fā)生強(qiáng)烈散射，于是我們看到清晰的白色字跡。但當(dāng)粉筆被打濕后，情況就不同了。書(shū)寫(xiě)時(shí)，水會(huì)把粉筆顆粒黏在一起，并填充顆粒之間原本充滿(mǎn)空氣的空隙。水的折射率比空氣更接近碳酸鈣，這會(huì)顯著削弱光的散射效果，使粉筆痕跡在黑板上呈現(xiàn)出半透明、偏灰的狀態(tài)，看起來(lái)就像“沒(méi)寫(xiě)出來(lái)”。

隨著時(shí)間推移，水分開(kāi)始蒸發(fā)。水一旦離開(kāi)，粉筆顆粒之間重新被空氣填充，微觀結(jié)構(gòu)再次變得疏松。此時(shí)，光的散射迅速增強(qiáng)，原本存在卻“不顯眼”的字跡就會(huì)突然變白、變清晰，仿佛字是“慢慢冒出來(lái)的”。

因此，顯色并不是字跡新生成，而是光學(xué)條件發(fā)生了改變：濕的時(shí)候散射弱，看不清；干了以后散射強(qiáng)，字才顯現(xiàn)。這個(gè)過(guò)程本質(zhì)上和濕沙灘看起來(lái)更深色、干沙灘更淺色是同一種物理機(jī)制。

參考資料：

1. Bohren C F. Clouds in a Glass of Beer: Simple Experiments in Atmospheric Physics[M]. New York: Wiley, 1987. (Chapter: Why is sand darker when it is wet?)

by 檸七

Q.E.D.
Q3 一根棍子插入一個(gè)管子里，直接往外拔，很難拔出，但邊搖晃邊往外拔就很輕松了，為何？

by 匿名

答：

邊搖晃邊往外拔更輕松，核心在于搖晃改變了棍子與管壁的接觸狀態(tài)和受力方式。

直接向外拔時(shí)，棍子與管壁緊密貼合，強(qiáng)大的正壓力導(dǎo)致靜摩擦力極大。而搖晃（尤其是橫向或旋轉(zhuǎn)晃動(dòng)）會(huì)使棍子產(chǎn)生偏斜，棍子和管的貼合度減小，顯著減輕了管壁對(duì)棍子的擠壓力，根據(jù) ,從而直接降低摩擦力。 更進(jìn)一步地，如果我們能通過(guò)搖晃扭動(dòng)讓管子轉(zhuǎn)起來(lái)，搖晃帶來(lái)的振動(dòng)和沖擊能瞬間抖松接觸面，并在微觀上不斷改變摩擦力的作用方向，當(dāng)棍子擁有自轉(zhuǎn)速度后，相對(duì)管的運(yùn)動(dòng)速不再與管平行，部分摩擦力將分解到阻礙管子轉(zhuǎn)動(dòng)的方向上，使其無(wú)法持續(xù)、完全地對(duì)抗單一方向的拔出力。這種“巧勁”通過(guò)松動(dòng)接觸和分散阻力，使得拔出過(guò)程變得省力。

by clouds

Q.E.D.
Q4 為什么下雪后地上的積雪是松軟的但是踩上去過(guò)五秒鐘把腳拿開(kāi)之后腳印會(huì)結(jié)冰？

by 賊明

答：

這一現(xiàn)象是機(jī)械壓縮、局部融化—再凍結(jié)過(guò)程，以及雪粒間燒結(jié)共同作用的結(jié)果。

新下的雪并不是致密的冰塊，而是由大量枝狀冰晶堆疊而成的疏松骨架，內(nèi)部夾雜著大量空氣，孔隙率極高。這種結(jié)構(gòu)使積雪具有很強(qiáng)的可壓縮性。當(dāng)人踩上去時(shí)，脆弱的冰晶骨架迅速坍塌，空氣被擠出，雪層在局部被明顯壓實(shí)，因此踩上去感覺(jué)松軟，卻會(huì)迅速下陷。

在你停留的幾秒鐘內(nèi)，在微觀層面，也會(huì)出現(xiàn)進(jìn)一步變化。鞋底施加的壓力集中在雪粒接觸的微小區(qū)域，使局部應(yīng)力顯著升高，根據(jù)冰的壓強(qiáng)-溫度關(guān)系，這會(huì)略微降低冰的熔點(diǎn)，使冰晶在局部發(fā)生融化。同時(shí)，鞋底傳導(dǎo)的人體熱量以及輕微摩擦產(chǎn)生的熱，也會(huì)促使冰晶邊緣融化。在接近 0℃ 的環(huán)境中，這些因素產(chǎn)生的液態(tài)水量雖然極少，卻足以在雪粒之間形成極薄的水膜。這些水既能幫助破碎的雪晶重新排列、填充空隙，也會(huì)滲入被壓實(shí)后的顆粒接觸點(diǎn)。

當(dāng)腳抬起后，壓力和熱源同時(shí)消失，低溫環(huán)境重新占據(jù)主導(dǎo)。先前產(chǎn)生的液態(tài)水會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)重新凍結(jié)，把相鄰的雪粒“粘結(jié)”在一起。在雪物理中，這種由少量液態(tài)水參與、在再凍結(jié)過(guò)程中形成顆粒連接的現(xiàn)象，通常被稱(chēng)為燒結(jié)。結(jié)果是，原本松散的雪被轉(zhuǎn)變?yōu)楦又旅堋⑦B續(xù)的冰狀結(jié)構(gòu)，腳印表面因此顯得堅(jiān)硬。

因此，腳印結(jié)冰并不是踩踏瞬間完成的，而是在你離開(kāi)之后，由“融化—再凍結(jié)”和燒結(jié)過(guò)程共同促成的結(jié)果。

參考資料：

1. Colbeck, S. C. (1983). The layered character of snow covers. Reviews of Geophysics, 21(1), 1–16.

by 檸七

Q.E.D.
Q5 π2和重力常數(shù)g十分接近，是偶然嗎？

by 唯穎尋江

答：

這個(gè)事還真的很巧合，我們先從物理上來(lái)看看。首先 其實(shí)告訴我們，一個(gè)一米長(zhǎng)的單擺的周期大約是 ，這剛好是一個(gè)秒擺，所以看起來(lái)可能是人為規(guī)定的對(duì)吧，但是當(dāng)時(shí)定義的標(biāo)準(zhǔn)不是這個(gè)，而是通過(guò)巴黎的地球子午圈長(zhǎng)度的四千萬(wàn)分之一，這個(gè)數(shù)也很整吧，事實(shí)上就是要求 約為整數(shù)，因?yàn)槿祟?lèi)采取了十進(jìn)制，所以是常用對(duì)數(shù)。那么想讓這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎相容，事實(shí)上我們等效于要求

而我們對(duì)秒的定義，剛剛好使得這個(gè)

( 內(nèi)部量綱為 )，多么巧合��！這個(gè)數(shù)剛剛好是 ，只在千分位上有誤差，與整數(shù)的誤差達(dá)到了萬(wàn)分之四。

我們?cè)賮?lái)看看歷史吧，秒的劃分來(lái)自于古埃及與古巴比倫進(jìn)制體系，后來(lái)經(jīng)過(guò)了完善，在機(jī)械鐘表時(shí)代，規(guī)定一平太陽(yáng)日的 為一秒，而米的子午線定義標(biāo)準(zhǔn)是由法國(guó)科學(xué)院在1791年正式提出并推薦的。法國(guó)大革命后，為了統(tǒng)一混亂的度量衡，國(guó)民議會(huì)委托法國(guó)科學(xué)院制定新的、基于自然的通用單位系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量從敦刻爾克到巴塞羅那的子午線，他們得到子午圈的四分之一大約是 （法丈），為了兼顧定義的自然和諧與法國(guó)民眾換算方便，定義子午圈的四分之一為一千萬(wàn)米，于是一米約等于半法丈。而秒擺派主張以巴黎所在地周期為 的擺長(zhǎng)為 ，最終因?yàn)橄噍^子午線標(biāo)準(zhǔn)而言不夠普適而未被采納。

現(xiàn)代的定義是，通過(guò)銫 133 原子基態(tài)的超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率為 來(lái)定義秒，通過(guò)光速定義為 來(lái)定義米，如此我們終于能夠更加“自然、通用”地定義我們的單位，當(dāng)然，期待未來(lái)有新的物理被不斷地發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)我們進(jìn)一步地進(jìn)行精密測(cè)量。

by zbl

Q.E.D.

Q6 太空中的航天器明明受到重力作用，為什么里面的人卻是“微重力狀態(tài)”？航天器發(fā)射后，為什么關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)里面就出現(xiàn)了“微重力環(huán)境”？

by 一中學(xué)子

答：

嚴(yán)格的講，航天器在太空中并不是“微重力”，而是航天員感受到的重力很小。以國(guó)際空間站為例，其軌道高度約 400 千米，此處地球引力加速度仍約為8.7 m/s2，接近地面重力的90%。航天員之所以呈現(xiàn)失重狀態(tài)，并不是重力很小，而是因?yàn)?strong>航天器與航天員在重力作用下具有幾乎相同的加速度，彼此之間不存在相對(duì)加速度。進(jìn)入軌道并關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)后，艙體不再對(duì)人體施加支持力，航天員也就不再受到來(lái)自艙壁，地板或宇航服的擠壓。人對(duì)“重量”的感覺(jué)本質(zhì)上來(lái)自這種支持力，當(dāng)支持力消失，就會(huì)出現(xiàn)漂浮現(xiàn)象。由于引力不均勻、大氣阻力和設(shè)備振動(dòng)等因素仍會(huì)引入極小加速度，因此這種環(huán)境被稱(chēng)為“微重力”。

再拓展一下，有一個(gè)很反直覺(jué)的冷知識(shí)：太陽(yáng)對(duì)月球的引力大于地球?qū)υ虑虻囊?/strong>，約為2.2倍，但是月球仍然是地球的衛(wèi)星。這也可以用相對(duì)加速度的知識(shí)解釋。雖然太陽(yáng)對(duì)月球的引力確實(shí)大于地球?qū)υ虑虻囊�，但關(guān)鍵不在于“引力大小”，而在于月球感受到的相對(duì)加速度。月球和地球幾乎以相同的加速度繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，因此太陽(yáng)引力對(duì)二者的作用大多相互抵消；而地球的引力則表現(xiàn)為二者之間的相對(duì)加速度，使月球始終被束縛在繞地球運(yùn)動(dòng)的軌道上。

by 靈境

Q.E.D.
Q7 為什么高鐵上面的電線是裸露的，下雨天，下雪天，或者有異物刮上面不危險(xiǎn)嗎？

by 春

答：

高鐵上方裸露的電線，專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)叫“接觸網(wǎng)”，其設(shè)計(jì)恰恰是安全與效率平衡的杰作。

它必須裸露，因?yàn)楦哞F依靠車(chē)頂?shù)氖茈姽c之直接摩擦接觸來(lái)獲取電力。接觸網(wǎng)電壓高達(dá)2.5萬(wàn)伏以上，在此等級(jí)下，任何固體絕緣材料都無(wú)法承受長(zhǎng)期的摩擦、日曬與老化，反而會(huì)帶來(lái)更多問(wèn)題。工程上對(duì)此的解決方案是清除周?chē)慕拥匚矬w并利用空氣絕緣——通過(guò)精密計(jì)算，確保接觸網(wǎng)與周?chē)薪拥匚矬w保持足夠的安全距離，只要不闖入這個(gè)禁區(qū)，電流就無(wú)法擊穿空氣，這是其裸露卻安全的基礎(chǔ)原理。

下雨下雪時(shí)，短路的確是值得重視的安全隱患，不過(guò)，在正常設(shè)計(jì)中也考慮到了這一點(diǎn)。純水本身導(dǎo)電性很弱，而雨水形成的并非連續(xù)水路。更重要的是，高鐵高速運(yùn)行時(shí)，受電弓滑板會(huì)迅速刮除并蒸發(fā)接觸線上的水膜，這保證了取電區(qū)域的干燥。在嚴(yán)寒凍雨天氣，接觸網(wǎng)可能覆冰時(shí)，鐵路部門(mén)將會(huì)派出專(zhuān)用除冰列車(chē)進(jìn)行機(jī)械清除，保障線路通暢。實(shí)際上，下雨過(guò)程中最大的安全隱患在于柔性的接觸網(wǎng)容易受到外力的影響發(fā)生位移，因此在它們?cè)獾嚼讚艉蟀l(fā)生短路時(shí)，列車(chē)斷電停車(chē)的可能性很大。

對(duì)于異物刮蹭，真正的威脅來(lái)自同時(shí)觸碰電線與接地物的長(zhǎng)條導(dǎo)體（如塑料薄膜、風(fēng)箏線）。為此，鐵路系統(tǒng)早已設(shè)有多重防護(hù)：在關(guān)鍵路段設(shè)置防護(hù)網(wǎng)，對(duì)線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，更重要的是為供電系統(tǒng)配備了高效的保護(hù)裝置，一旦檢測(cè)到短路，它能在百分之幾秒內(nèi)瞬間斷電，如同一個(gè)極其靈敏的“保險(xiǎn)絲”，同時(shí)列車(chē)也能自動(dòng)降弓保護(hù)自身設(shè)備。待危險(xiǎn)排除，供電便會(huì)恢復(fù)。

by 滪旸

Q.E.D.
Q8 真空真的是空的嗎？

by 匿名

答：

真空通常被誤認(rèn)為是“空無(wú)一物”的狀態(tài)，實(shí)際上，真空的定義是指在給定的空間內(nèi)，充有低于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（ ）氣體的狀態(tài)。它是一個(gè)相對(duì)概念，而非絕對(duì)的“空無(wú)”。

在理論研究中，我們可以將真空理想化為絕對(duì)空無(wú)、靜止的背景舞臺(tái)。例如，依賴(lài)介質(zhì)的機(jī)械波（如聲波）無(wú)法在真空中傳播，而不依賴(lài)介質(zhì)的電磁波（如光波）可以在真空中傳播。

然而,加入量子效應(yīng)后，卡西米爾效應(yīng)（Casimir effect）徹底顛覆了這一觀念。該效應(yīng)指出，由于量子力學(xué)的不確定性，真空中始終存在著瞬時(shí)產(chǎn)生又湮滅的虛粒子漲落。當(dāng)兩塊極為靠近的電中性金屬平板置于真空中時(shí)，板外比板間擁有更多可能的量子漲落模式，從而產(chǎn)生一種可測(cè)量的微小吸引力。Casimir力與金屬板的面積成正比，對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)為 。這一實(shí)驗(yàn)直接證明，真空并非“空無(wú)一物”，而是所有量子場(chǎng)處于最低能量、卻始終劇烈漲落的動(dòng)態(tài)基態(tài)。

參考資料：

1. Bordag, M., Klimchitskaya, G. L., Mohideen, U., & Mostepanenko, V. M. (2009). Advances in the Casimir effect. Oxford University Press.

by clouds

Q.E.D.
Q9 為什么可以用飄上來(lái)判定餃子熟了？對(duì)于其他的，比如湯圓丸子也適用嗎？

by 不正小歪歪

答：

用食物“漂上來(lái)”來(lái)確定是否煮熟，核心原理是加熱過(guò)程中食物的結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的密度減小。對(duì)于餃子能夠可靠地運(yùn)用此法，是因?yàn)樯溩悠ず宛W的密度都大于水，整體餃子的平均密度也大于水，扔入水中會(huì)沉在鍋底。而在加熱過(guò)程中，發(fā)生了一個(gè)關(guān)鍵變化：餃子皮（面粉）中的淀粉在高溫下吸水，溶脹并形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，這一過(guò)程也稱(chēng)為糊化；而餡料中的大量水分在受熱后產(chǎn)生水蒸氣，餃子皮包裹這些水蒸氣，使得餃子體積膨脹而密度顯著下降，從而可以穩(wěn)定上浮。因此，這實(shí)際上是一種經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：上浮既意味著外皮已經(jīng)熟透，也意味著餡料已經(jīng)充分加熱，因此可以食用。不過(guò)對(duì)于餡料特別豐富或者冷凍的餃子，最好還是在餃子漂起來(lái)后再進(jìn)行1-2次“點(diǎn)水”，確保熱量充分傳遞到中心。而對(duì)于湯圓來(lái)說(shuō)，由于餡料多為“流心”而非固態(tài)，最好在上浮后轉(zhuǎn)中小火再煮兩三分鐘，使得流心餡料也足夠熱。

但對(duì)于純?nèi)馔瑁~(yú)丸等以蛋白質(zhì)為主的食物而言，“熟”并不表現(xiàn)出這條信號(hào)。這類(lèi)丸子變熟依靠蛋白質(zhì)受熱變性等過(guò)程，此過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，因此食物本身密度變化極小，它們可能在未完全煮熟時(shí)就因?yàn)橥獠扛街馀萆细�，也可能在完全煮熟后依然沉底，因此，要判斷它們是否熟透，必須依靠固定的煮制時(shí)間，或者撈起一個(gè)切開(kāi)，看看中心是否完全變色，無(wú)血絲才能放心吃。

by 滪旸

Q.E.D.
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clouds、滪旸、靈境、zbl、可去奇點(diǎn)、檸七

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