纸吸管，可乐的一生之敌 | No.255_风闻

　　可乐

　　肥宅人的快乐水

　　纸吸管

　　环保界的冲锋者

　　两者看似风马牛不相及

　　但他们一旦相遇

　　就是一场血雨腥风

　　纸吸管

　　可乐的一生之敌

　　（所以为什么不直接大口喝可乐呢

　　）

　　**Q1****为什么纯棉的衣服会缩水？什么材质的衣服也会缩水？**by 1

　　答：

　　其实，除了棉织物以外，几乎所有的纤维织物在初次洗涤之后都会发生一定程度的收缩。这是因为，织物纤维都是高分子有机物的长链编织而成，而这些有机物长链，在其自由能最低的状态下都是卷曲起来的。为了织出挺直的衣物，在纺织天然纤维或是合成人造纤维的过程中，都会加热并拉伸纤维。卷曲的纤维在加热过程中舒展开来，在外力的作用下进一步拉直，冷却过程中纤维之间形成新的键联，伸直的形态就被固定下来。

　　在初次洗涤的过程中，水分子进入到织物纤维的间隙之间，削弱了纤维分子的相互作用，绷紧的纤维分子于是纷纷松弛下来，晒干后衣物的尺寸便减小了。洗涤过程中衣物受到的外力捶打，也有可能使纤维分子间的键联断裂，导致纤维松弛收缩。除此之外，羊毛织物在水洗过程中还可能出现“缩绒性”，这是因为毛发表面覆盖着一层层角质蛋白构成的鳞片，在纺织过程中鳞片间隔被拉大，水洗过程中收缩，这也会导致织物缩水。

　　总而言之，洗涤过程中水分子进入纤维间隙，织物纤维分子间的键联被削弱，纤维发生卷曲和收缩，这是造成织物缩水的主要原因。而纤维分子间的键联削弱则主要是水分子进入分子间隙引起的。因此，虽然不同材质的衣物都可能发生缩水，纤维排列疏松的织物，如羊毛、纯棉衣物的缩水更为明显。

　　by 乐在心中

　　Q.E.D.

　　**Q2****为什么油炸食品脆脆的，水煮的就软软的？**by 匿名

　　答：

　　油炸过程是脱水的过程。油炸食品时油温在200℃左右，会先使得食物表面的水分沸腾出来，食物表面温度在100℃附近；在表层水分损失之后，食物表面温度会逐渐向油温靠拢，淀粉开始糊化，蛋白质逐渐变性，表面开始变脆，这一过程中，食物内部水分也会以气泡形式蒸发出来，进一步导致食物变得松脆，当然这在一定程度上阻碍了油进入食物内部。一个比较好的做法是油炸两次，第一次简单使食物吸油，第二次炸的时候就能使得整个食物内外都变脆。

　　水煮过程是吸水过程，食物自由水增加，因此变软，实际上油炸物品长时间暴露在空气中，也会因为吸水而变软。

　　by Alan

　　Q.E.D.

　　**Q3****镜子反射的光线会有能量的损失吗？**by 镜幻

　　答：

　　会有损失。一方面实际镜子的组成材料（如SiO₂）不可避免会对入射光有吸收，同时镜面不可能绝对光滑平整，会产生四面八方的散射（漫反射），导致入射光能量的损失。另一方面，即便忽略吸收和散射过程，电磁波照射到镜子上也会发生透过和反射两个过程，使得反射率小于100%，因此每一次反射都会有能量以透射的形式损失。对于相距3米反射率为95%的两面镀银镜面，1KW的灯1秒内发出的光在其间来回折射，只需要0.00001秒光线能量就会完全损失掉，即便使用99.99999%超高反射率的材料，这一过程也只需要5秒。需要区分的是，全反射过程中确实能够消除折射光导致的能量损失，但即便这样也无法消除吸收和散射带来的损耗，当然这并不影响我们利用光纤来进行信息传输，因为虽然光纤内的电磁波时间上来看也是损失的很快，但这短暂的时间光已经走出很远的距离，信息传递早已完成！

　　参考资料：

　　[1] 两面镜子间发射一束光，光会不会一直反射下去？

　　by Alan

　　Q.E.D.

　　**Q4****透明的物体，为什么我们也能看见？**by 匿名

　　答：

　　这是个非常有趣的问题。首先我们知道，可见光的本质是电磁波，可见光其实是是电磁波谱中人眼可以看见的部分，而“看到物体”其实是物体发出（或反射）的可见光进入了我们的眼睛。我们生活的环境中充满了各种各样的光介质，不同介质中光的传播速度不同。根据费马原理，光会沿着使光线传播时间最稳定的路线传播。在均匀的介质（比如温度均匀的空气或水）中，光路一定是直线；但是当介质不均匀时，光路就不一定是直线了。海市蜃楼、太阳下山晚等等有趣的现象就是由此导致的。

　　说回到透明物体。我们在生活中大多数“看到透明物体”的现象其实就是光介质不均匀所导致的。我们可以简单分类讨论：

　　有一种情况是光介质发生了改变。光在界面上会发生折射和反射，和人眼位于界面同一面的光源向界面发射光，反射光进入我们的眼睛，我们就看到了界面的存在。和人眼位于界面不同面的光源向界面发射光，折射光进入到我们的眼睛，也会使我们察觉到中间有透明的物质存在。透明玻璃上的反光，放大镜的放大效果都是这种现象的体现。

　　还有一种情况是，同一种的介质由于各种因素影响变得不再均匀，光在其中也不再沿直线传播。直观的体验是夏天的午时站在柏油马路旁，你会看到空气中“热浪滚滚”。这实际上就是由于地面高温，热量传递到空气中，使得空气不再均匀，穿过空气的光线也不沿直线传播，看起来就像某种物质在空气中弥漫一样。

　　其实，不光可以说某物质对可见光是“透明”的，也可以说某物质对其他波段的电磁波是透明的。比如，骨头对X光是不透明的，而其他身体组织对X光却是透明的，因此我们可以用X光成像看到身体内部，帮助医生诊断。

　　最后，我们可以稍微拓展一点。从电动力学的角度，真空才是真正的透明，其他物质都会与电磁波作用并影响电磁波的传播。另一方面，我们由广义相对论可知，在大质量的天体附近，时空会发生明显的弯曲，在这里传播的光线也会看起来发生弯曲。之前轰动一时的黑洞照片中的像，其实就是背景光源的光线经过了黑洞附近，发生弯曲的光线被我们观测到所成的像。因此，和前面讨论的类似，我们也能借助时空的弯曲来“看”到透明的真空呢。

　　by Quesmark

　　Q.E.D.

　　**Q5****太空垃圾这么多，卫星撞到的概率有多大呢？**by Delta. du

　　答：

　　太空垃圾是地球周围零碎的无用人造物体，小到漆片、粉尘，大到一整片飞船的残骸。目前地球轨道上有1亿个一粒盐大小的人造物体、50万个弹珠大小的物体、2.3万个接近或超过垒球大小的太空垃圾，而且其数量每年还以2%～5%的速度递增。

　　下图是太空垃圾模拟图，而卫星与这些密集物体的撞击概率是很大的，早在1990年回收“挑战者号”时就发现其表面与太空垃圾撞击留下的凹槽多达3.2万个，平均每天撞击15次，2016年欧洲空间局（ESA）也在其官方网站公布舱体被极微小的太空垃圾撞击留下的密集的槽。只是撞击的太空垃圾直径可能不到千分之一毫米，没有危险性。但大碎片就完全不同，只要与一块大于10厘米的太空垃圾碰撞，航天器就会遭遇毁灭性打击，比如2009年2月10日，铱星33号和已经退役的苏联宇宙2251号相撞，仅仅4个月后，碰撞产生的太空碎片就已经几乎布满大半个地球上空。而在1亿块环绕地球运行的太空垃圾中，直径超过10厘米的至少有2.7万块。

　　参考资料：

　　[1]卫星排队上天 太空垃圾成灾

　　[2]卫星突然撞上太空垃圾，后果到底有多严重？看完大开眼界

　　by Alan

　　Q.E.D.

　　**Q6****自然界中的绝大部分彩色，都可以由三种基色按一定比例混合得到，那么三基色又是怎么得到的？**by 奇怪君

　　答：

　　“基色”亦称“原色”，是指不能通过其它颜色混合调配而得到的最基本的颜色，所以对于“原色”，自然就不是“得到”的，而是人为定义的。那我们平时常说的“三原色”，又是如何定义的？为什么偏偏选择这三种颜色而非其它颜色？这其实源于人体肉眼对光线的响应。

　　人的眼睛内通常具有三种类型的视锥细胞（S、M、L），分别能对不同范围波长的光进行响应。S视锥细胞会对波长在400-500nm范围内的光进行相应，峰值出现在420-440nm处（蓝紫色）；M视锥细胞会对波长在450-630nm范围内的光进行相应，峰值出现在534-555nm处（绿色）；L视锥细胞会对波长在500-700nm范围内的光进行相应，峰值出现在564-580nm处（黄绿色）。

　　人的S、M和L类别视锥细胞对单色光谱刺激的归一化响应光谱 | 图源：wikipedia

　　若现在要找出三种颜色，能够分别使其中一种类别的视锥细胞的响应强度远高于其余两种，那么红、绿、蓝将会是最佳的选择，故将此三色定为原色。

　　当原色以不同比例混合时，会产生其他颜色，在不同的色彩空间系统中，有不同的原色组合，可以分为“叠加型”和“消减型”两种系统。

　　“叠加型”原色系统中通常包含光源投射时所使用的色彩，以红色、绿色、蓝色作为原色（亦称为“三基色”）。若将此三原色的饱和度均调至最大并且等比例重叠时，则会呈现白色。这套原色系统常被称为“RGB色彩空间”，亦即由红（R）绿（G）蓝（B）所组合出的色彩系统。

　　叠加型原色系统 | 图源：wikipedia

　　“消减型”原色系统中通常包含反射光源或颜料着色时所使用的色彩，以黄色、青色、品红作为原色，聪明的你肯定已经发现，这三个颜色正是“叠加型”原色系统中三种原色两两混合后产生的。在传统的颜料着色技术中，通常以红色、黄色、蓝色作为原色，而现代基本都已采用“消减型”原色系统。若将此三原色的饱和度均调至最大并且等比例混合时，理论上会呈现黑色，但实际上由于颜料等原因呈现的是浊褐色。正因如此，在印刷技术中往往会加入第四种原色——黑色，其与前三种原色组成了“CMYK色彩空间”，即由青（C）品红（M）黄（Y）以及黑（K）所组合出的色彩系统。

　　消减型原色系统 | 图源：wikipedia

　　参考资料：

　　[1] 原色

　　[2] 彩色视觉

　　by Eric

　　Q.E.D.

　　**Q7****作为微小的物质，细胞和原子有什么区别？为什么一般都讲人体由细胞构成，不讲由原子构成？**by 小玫瑰

　　答：

　　细胞和原子在体积上区别就已经很大了，某种意义上细胞已经不是微小的物质了。常见的大肠杆菌（E.coli）就已经有2μm长了，遑论哺乳动物长达1m的神经元和鸟类硕大的卵细胞。而碳原子的原子半径约有70pm，和细胞相比完全不在一个数量级（1μm=1,000,000pm，1m=1,000,000μm）。

　　同时，细胞和原子在功能上的复杂性完全不能相比，细胞有极为复杂的结构和功能。例如，细胞内常见的液液相分离（LLPS：liquid-liquid phase separation）产生的液滴，其结构和功能都缺乏了解。细胞是生命活动的承担者，我们和路边的石头都是原子组成的，但是因为我们人类是细胞构成的多细胞生物，才会有复杂而迷惑的行为。

　　人体由细胞构成的说法，一方面是历史形成的习惯，生物由细胞构成，细胞学说的建立是生物学发展史上非常重要的篇章；另一方面以细胞作为功能的主要单元，在研究和教学中更加科学方便。流式筛选筛选的是细胞，细胞培养培养的是细胞，单细胞测序也是对细胞的分群……以细胞作为基本单元可以很好的将组织和蛋白水平上的差异统一。而细胞干性、细胞分裂和分化的存在，也将生物体的基本单元限制在细胞水平。

　　by 某大型裸猿

　　Q.E.D.

　　**Q8****为什么用纸吸管喝可乐会有泡泡冒出来，而且是吸一口就冒一会儿的那种？**by 歪比歪比

　　答：

　　上周关于纸吸管喝可乐冒泡问题的解答引起了很多同学的讨论(指路No.254 Q5)。为了更好地理解此问题，我进行了简单的实验验证。

　　实验用具：330ml罐装可口可乐，肯德基冷饮用纸吸管，表面粗糙的小石子，一次性筷子，小刀，直饮水机纯净水。

　　实验现象：①将表面粗糙的小石子、一次性筷子、纸吸管分别放入三罐刚打开的可乐，均发生了快速产生气泡的现象，并且放入石子的一罐产生气泡的速度快很多，而放入一次性筷子和纸吸管时产生气泡的持续时间更长。肉眼观察，纸吸管和一次性筷子的粗糙度相仿，石子的粗糙度更高。②当纸吸管插入深度较深时，泡沫会从吸管中涌出。而当插入深度较浅时，泡沫主要在罐口处产生。控制插入深度在适当值，会在吸管内看到稳定在某一高度的泡沫，同时罐口处不断产生气泡。③用小刀切割纸吸管，在截面上滴纯净水，发现不论在截面上还是表面上，吸水速度都较慢。

　　图1 从左至右分别为放入一次性筷子、纸吸管、石子时的气泡产生情况

　　图2 纸吸管的吸水性能、纸吸管与一次性筷子的粗糙度对比

　　实验结论：①可乐本身是过饱和溶液，一旦引入成核位点，过饱和的CO₂就会析出。粗糙度越高，析出速度越快。纸吸管的粗糙表面就是很多的成核位点，这是使得溶解在可乐中的CO₂析出的主要原因。②吸管插入后产生毛细现象，由于泡沫的密度很低，吸管内液面抬升的高度提高很多。当抬升高度大于吸管在液面以上部分长度时，泡沫就会源源不断地从吸管内涌出。抬升高度小于吸管在液面以上部分长度时，则主要在罐口处产生气泡。③纸吸管的吸水性很差，在插入可乐后的短时间内能吸走的水分有限，纸吸水带来的化学平衡移动应当不是造成可乐中CO₂析出的主要原因。

　　本实验仅为演示现象，详细定量研究还需排除温度，物体形状，放入速度等因素的影响。

　　扩展讨论：原问题中说“吸一口冒好一会”，对此笔者认为，吸管插入时气泡就已经在产生，吸一口的同时会把气泡吸上来，之后冒好一会只是气泡在持续产生。

　　从可乐中的曼妥思到纸吸管，一杯饮料激发了无数人对科学的好奇。本次实验用到的都是生活中随处可见的东西，欢迎读者自行尝试，或者提出新的假设和实验。下次再喝可乐时，可以理直气壮地说，我喝的是汽水吗？我喝的是知识~

　　by 老张

　　Q.E.D.