为什么面包放久了变硬，饼干却变软？| No.266_风闻

原创：中科院物理所

　　面包和饼干

　　都含有淀粉且都暴露在空气中

　　但一个变硬，另一个却变软

　　就像我和别人家的孩子

　　都是放学了去玩

　　一个挨骂，另一个却挨夸

　　究竟是什么导致了这其中的差别呢？

　　**Q1****高中化学中学到硫化氢气体有臭鸡蛋气味，那么臭鸡蛋散发出的气体是硫化氢吗？**by 匿名

　　答：

　　研究表明[1]，变质鸡蛋内容物样品中优势菌群主要是变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmieutes)，这两门的细菌里又有极多的小类。各种细菌参与了不同类别的分解鸡蛋内蛋白质的过程。其中，柠檬酸杆菌属的细菌可能通过代谢产生各种胺醇醛酮以及硫化物。芽孢杆菌属可以产生有机氨或者氨气。这些五花八门的细菌大杂烩产生了许许多多各种各样奇奇怪怪的有刺激性气味的气体，硫化氢只是其中的一部分。吲哚、胺、氨气等也是有强烈刺激性气味或者恶臭的气体物质。

　　Ref:[1]申田宇. 鸡蛋贮藏期主要腐败菌的分离与鉴定[D].湖南农业大学,2019.

　　by Luna

　　Q.E.D.

　　**Q2****我们知道光线是互逆的，就是说站在对面的人能看到你，你也能看到他，但实际上如果你站在一楼，另一个人站在六楼，他可以看见你，但你很难看见他？**by 笑笑

　　答：

　　因为人类的头在人的上部，楼沿不会对在上部的人的视野形成遮挡。

　　比如在高处的人往下看的视角如下图角A所示：

　　而从低处看高处的人能看到的视角如角B所示：

　　看起来差不太多？但是要记住，楼的边缘藏住了站在高处的人的一部分躯体(甚至只露一个眼睛/脑袋)，而不会遮挡他们的视线，低处的人看高处的人的视角小于高处的人看低处的人的视角。所以高处的人很容易发现低处的人，而低处的人不容易发现高处的人。这也就是为什么古人云，“居高临下”，站在高处，不仅视野更好，也不容易被发现。

　　但是光线的可逆性依然是正确的，假设AB一个人在高处一个人在低处。如果A的视野中有B的眼睛，那么B的视野中一定也有A的眼睛。

　　by Luna

　　Q.E.D.

　　**Q3****同样是暴露在空气中，为什么面包会变干而饼干会变绵？**by 匿名

　　答：

　　面包变干变硬主要是由于淀粉的老化，而饼干变软则是由于饼干吸水回潮。

　　其实不只是面包，像米饭、馒头等米面制品在放置以后都会变干变硬。面包等米面制品含有大量淀粉。生淀粉中的淀粉分子排列非常紧密，它们通过氢键形成极致密的疏水性微胶粒结构，这种状态的淀粉与酶不易发生反应，难以消化。当我们将淀粉粒与水共同加热，淀粉分子间的氢键被破坏，在60~70℃变成糊状，此时淀粉的微胶粒结构消失，易与酶反应，容易消化。

　　在温度较高的情况下，淀粉的糊化比较稳定，但当温度降到30℃以下，或接近这个温度时，淀粉分子间的氢键便会恢复成稳定的状态，淀粉分子彼此通过氢键再次相结合，分子之间又逐渐按次序紧密排列起来。与此同时，原来所含的水分逐渐被排挤出来而减少。这时，原本松软可口的馒头面包就会变得“坚不可摧”。

　　而饼干虽然也含有大量淀粉，但由于饼干在制作过程中经过高温烘烤，含水量很低，而饼干中往往又含有大量盐和糖。因此，饼干内部干燥的环境使得饼干容易吸收空气中的水分，盐和糖的微粒也可以吸潮，便加剧了饼干的吸水回潮，使得饼干逐渐“绵软无力”。

　　参考资料：

　　面包放久了，为什么会变硬？

　　为什么饼干打开放一夜会变软，而面包会变硬？

　　by 霜白

　　Q.E.D.

　　**Q4****为什么高压线附近会有滋滋滋的声音？**by 匿名

　　答：

　　这是由于电晕放电。

　　电晕放电是指气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。常压下，空气的电离场强约为20-30KV/cm，在高压线附近，导体表面的电场强度达到这个数量级时，其附近的气体介质就会被局部击穿而发生电晕放电现象，这种现象一般发生在曲率半径较小的电极附近，例如高压传输线和同轴圆筒所包围导线的表面。

　　在电晕放电中，伴随着空气分子的游离、复合、激励与反激励等过程，电晕放电会有声、光、热效应，表现为发出“嘶嘶”的声音，有时会有微弱的辉光以及周围温度上升等。你听到的声音大概就是电晕放电的声效应。

　　在雨天，由于空气潮湿，气体电阻降低，更容易出现电晕放电现象。

　　电晕放电有很多危害，例如：其会造成输电损耗、会产生高频脉冲电流，对无线通讯造成干扰、还会令空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化合物等，对金属介质造成损害；但另一方面，电晕放电原理也有很多应用，像真空电镀、物理气相沉积、印刷、除尘、除静电杀菌、消毒等都可以用到电晕放电原理。

　　参考资料：

　　你知道电晕放电吗？是好还是坏？

　　电晕放电

　　高压输电线放电电晕及减少方法

　　by 霜白

　　Q.E.D.

　　**Q5****爆炸发光是一瞬间的事，为何超新星爆发能持续那么久？**by 油压千斤顶

　　答：

　　同样是爆炸，此爆炸非彼爆炸，爆炸和爆炸之间的区别很大。我们先复习一下比如炸药爆炸、粉尘爆炸、气体爆炸之类爆炸的共通点。

　　这些爆炸基本都是化学反应，发光和发热来自于化学反应，这些反应在短时间内由反应自身发出的热量而自持进行，放出大量可见光和热形成“爆炸”。在这样的反应中,反应和发热发光是同步的。

　　但是超新星爆炸却并不是这样。超新星的种类不同，爆炸的机制也有区别。超新星爆发(天文/光学观测到的)是一个持续时间很长且相当复杂的过程，在这里没办法详细论述。总体来说，超新星的爆炸和发光是分离的。爆炸中的核反应发生的时间较短，而发(可见)光主要来自于爆炸之后的残余物和抛出物。

　　它们的光变曲线是这样的：

　　其中，以Ia型超新星为例，它的光变曲线主要有两部分组成，一部分是Ni-56的衰变（半衰期6天），另一部分是Co-56的衰变（半衰期77天）。这些因为核反应而诞生的放射性元素不会一瞬消失，而是慢慢地衰变并发出辐射。

　　参考资料：

　　超新星类别和能量释放特点简介

　　超新星光变曲线

　　by Luna

　　Q.E.D.

　　**Q6****沙漏计时均匀吗？**by just hazelll

　　答：

　　在比较长的时间尺度上看，沙粒的下落基本是均匀的。不过留心观察会发现，沙子下落时并不像水流那么顺滑，而是以粗细并不均匀的“沙流”下落。这种不均匀流动是气体压强的变化导致的。沙子的下落阻碍了上下两层之间的气体流动，当上层的沙粒减少时气体体积增大压强随之降低，而下层的压强反之会升高，压强差使沙流减速。沙流减速后气体流动改善，压强差减小，沙流再次加速，压强差增大，由此循环往复产生类似振荡的效果。

　　物理学顶刊PRL上曾经发表过研究沙漏中振荡现象的实验文章“Why hour glasses tick”，下图是他们文章中的实验结果。

　　他们用两种不同直径（81微米和41微米）的玻璃珠作为沙粒分别进行实验，横坐标是下落的时间，纵坐标是下落沙粒的总质量。×5是因为41微米玻璃珠在相同时间内下落的总质量较小，把质量数据×5方便读图。这个实验结果和前面的分析一致，沙流不是连续落下而是类似周期式成股落下。图中的小图则是研究了不同大小沙粒每一股落下的质量，可以看到沙粒直径越大每一股落下的质量越大（这个结论需要在一定直径范围内成立，比如沙粒如果比沙漏瓶颈大那就无法落下）。

　　上述的文章发表于1993年，为了测量落下沙粒的质量还对沙漏进行了一些改装。今天我们想研究这个问题十分简单，只要用高速摄影拍摄一下沙粒落下的过程就能得到定性结论，需要定量结论也只需选取一段时间对沙粒进行一下统计即可。

　　关于这个问题更详细的解释可以移步参考资料中的内容。

　　参考资料：

　　如何加速沙漏下落让饭店免单

　　X-l. Wu, K. J. Måløy, A. Hansen, M. Ammi, and D. Bideau, Why hour glasses tick, PhysRevLett.71.1363,1993

　　by 老张

　　Q.E.D.

　　**Q7****有不用实体就可以记录重量单位1kg的方法吗？**by (◐‿◑)

　　答：

　　使用实体记录1kg单位的方法已经是老黄历了。

　　在1889，科学家们搞了一个标准物体来标定1kg的重量。就是这个玩意儿：

　　但是这个东西的质量可能会因为氧化呀磨损啊什么的改变,时间久了说不定就不准了，所以在2019年被淘汰了。因为我们希望得到一个质量不会改变的“标准件”，最好使用宇宙中不会改变的那些东西-物理学常数来表达我们的标准。在新的定义中，质量的定义只使用了物理学常数，脱离了一切具体的实物。

　　在2018年的国际会议上人们以下图所示的方式定义1kg(2019年生效)：

　　这些物理量可能看起来稍微有点乱，文字总结一下就是1kg的定义使用了：普朗克常数h（单位kg·m^2/s），原子钟振动的频率ν（单位1/s）和光速c（单位m/s）。通过组合这三个量 hν/c^2，就可以得到单位为kg的物理量了。

　　在1889年，量子力学还没有被建立，物理学家们甚至还没有发现普朗克常数h这个物理学常量。所以此时还没有一个不依赖实体的定义能量的方法，也因此没有不依赖实体定义质量的方法。（能量/速度^2=质量）

　　二十世纪初诞生的量子力学给了物理学家们不依赖实体定义能量标准单位的方法。如频率ν的光子的能量就是hν。自此，能量获得了不依赖实体的定义，这一定义自然也可以通过简单的公式推广到质量的定义上。质量也因此获得了不依赖实体的定义。

　　在这里我们可以给出一个抛开实验(也抛开了实际情况)的定义：一个频率为1.35639249×10^50Hz的光子的动质量是1kg.

　　补充知识：实验层面上，具体的实验方法是使用Watt balence和约瑟夫结以及量子霍尔效应，测量出精度超高的普朗克常数。如果把此时测量得到的普朗克常数拿来作为确定的数值，也就等效于固定了测量普朗克常数时使用的砝码（1kg的定义）为标准砝码（标准的1kg的定义）。换句话说，就是把一个手头上已经有的实体和物理学常数捆绑在了一起。

　　参考资料：

　　国际千克原器

　　2019年国际单位制单位定义修改

　　来重新定义质量吧

　　by Luna

　　Q.E.D.