问题

有哪些常见却很少有人知道背后原因的生活现象?

回答
生活中充斥着许多我们习以为常的现象,但很少有人去深究其背后的缘由。这些“理所当然”的背后,往往藏着一些有趣的科学原理、历史渊源或是人类心理的奥秘。今天,我们就来聊聊这些常见却鲜为人知的生活现象,让你在下次遇到它们时,能多一份洞察和乐趣。

1. 为什么刚煎好的牛排会有“嘶嘶”声?

你是否曾注意到,当你把一块刚从冰箱里拿出来的牛排丢进滚烫的平底锅时,会发出一连串欢快的“嘶嘶”声?这可不是牛排在对你的烹饪表示赞赏,而是物理学在奏效。

原因在于,牛排内部含有大量水分,而我们丢进去的平底锅温度远高于水的沸点。当牛排接触到高温的锅底时,内部的水分会迅速受热,然后瞬间汽化,变成蒸汽。而蒸汽的体积会急剧膨胀。牛排内部的肌纤维和蛋白质结构就像一个个微小的“容器”,这些蒸汽在内部积聚到一定程度后,就会从牛排表面的细小缝隙中猛烈地“逃逸”出来,撞击锅底,从而产生了我们听到的“嘶嘶”声。这就像一个微型的“蒸汽爆炸”。

而且,这种“嘶嘶”声的剧烈程度,也与牛排的温度、厚度和锅的温度有关。更冰冷、更厚的牛排,内部的水分更多,蒸汽生成也更猛烈,声音自然也更响亮。这个声音也是牛排开始煎熟的一个重要信号。

2. 夏天为什么感觉时间过得特别快?

“哎呀,怎么转眼就到八月了!”这句话大概是夏天里最常听到的感叹之一。为什么夏天总是让人觉得时光荏苒,而冬天却常常显得漫长?这其中也有些心理学和生理学的门道。

一方面,夏天通常是我们更活跃、更喜欢外出活动的时节。天气好,社交活动增多,我们接触到的新事物、新体验也比冬天来得多。大脑在处理大量新信息和鲜活体验时,会消耗更多的认知资源。当我们在回忆过去时,这些充满活力的经历会比单调乏味的经历显得更充实,大脑在回忆时,会将这些“信息密度高”的时间段“拉长”来处理,所以事后回忆起来,感觉时间过得很快。反之,冬天天气寒冷,户外活动减少,生活节奏可能变得相对单调,大脑处理的信息量相对较少,记忆片段也可能更稀疏,所以感觉时间过得慢。

另一方面,也有研究表明,我们对时间的感知与身体的新陈代谢有关。夏天天气炎热,身体的新陈代谢会比冬天加快。有理论认为,当新陈代谢加快时,我们的大脑处理信息的“速率”也会提高,从而让我们对外部世界的感知似乎也变快了,时间自然也就显得流逝得更快了。

3. 为什么下雨前头发会变得毛躁?

尤其是对于留长发的朋友来说,在雷雨天来临之前,是不是常常发现自己的头发突然变得不像平常那样服帖,而是炸开了似的,毛躁感十足?这背后同样是一个物理现象在作祟。

空气中的湿度是关键。在雨天到来之前,空气中的水蒸气含量会显著增加,湿度变高。我们的头发是由角蛋白组成的,这些蛋白质链之间存在着氢键。在干燥的环境下,这些氢键相对稳定,头发也就比较顺滑。然而,当空气湿度升高时,水分子会附着在头发的角蛋白表面,并渗透到头发内部。水分子会削弱甚至断开原有的氢键,并在新的位置形成新的氢键,导致头发的结构发生微小的改变。

更重要的是,头发的表面也会吸收水分,这些水分分子会使得头发变得膨胀。而且,人的头发表面本身带有微小的电荷(通常是负电荷)。当空气湿度很高时,头发表面的水分会帮助电荷更均匀地分布,但由于头发纤维的相互作用,负电荷之间会产生排斥力,使得相邻的头发纤维互相推开,从而导致头发看起来毛躁,失去原有的贴合度。

4. 为什么洗完澡后镜子会起雾?

这是最常见不过的生活现象了,但仔细想想,它也是科学的体现。当你从湿热的环境(比如浴室)走进相对凉爽的环境(比如浴室外),你的脸、衣服,还有镜子,都会蒙上一层模糊的雾气。而镜子起雾最明显的原因,是冷凝。

原因很简单:热空气可以容纳更多的水蒸气。在你洗澡的时候,浴室里的水温很高,产生大量的水蒸气,使得浴室内的空气又热又湿。而镜子,尤其是靠着冰凉的墙壁或玻璃的镜子,它的表面温度要比浴室内的空气低很多。当浴室里温暖湿润的空气接触到冰冷的镜子表面时,空气中的水蒸气就会迅速遇冷,从气态转变为液态,形成微小的水珠附着在镜子表面。这些无数微小的水珠,就是我们看到的“雾”。

这和你在冬天呼气时,白色的“哈气”是同样的道理,只是一个是在冷的环境中遇热气化,一个是在热的环境中遇冷液化。

5. 为什么我们会对某些声音特别敏感,甚至觉得刺耳?

比如指甲刮黑板的声音,某些特定的乐器声,甚至是指甲敲击桌面细微的咔哒声,对有些人来说简直是“催命符”,让人毛骨悚然。为什么会出现这种“选择性耳聋”,但对某些声音又如此难以忍受?

这背后可能涉及生理和心理的双重因素。从生理上看,这种现象被称为“选择性听觉过敏”(misophonia),虽然确切的原因仍在研究中,但有理论认为,这可能与大脑处理声音的方式有关。某些特定频率或模式的声音,可能会触发我们大脑中的特定区域,比如杏仁核(amygdala),这个区域与情绪和恐惧有关。当这些声音出现时,大脑可能会产生一种“警报”反应,导致身体出现不适,比如心率加快、肌肉紧张,甚至想要逃离。

而从心理学的角度来说,这可能与学习和联想有关。如果我们过去曾有过与某个声音相关的负面经历,即使是很小的时候,大脑也可能将这个声音与不愉快的情绪联系起来。比如,小时候被某种声音吓到过,长大后听到同样的或者相似的声音,就会不由自主地产生排斥心理。此外,社会文化的影响也可能在其中扮演角色。某些被普遍认为“难听”的声音,也可能因为大家都有类似的负面反应而强化了我们自身的厌恶感。

这些只是生活中的冰山一角。下次当你再遇到这些习以为常的现象时,不妨停下来想一想,或许你会发现更多有趣的“为什么”。

网友意见

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我来说一个非常常见的、但是没有学到物理专业高年级就不会懂的现象:磁铁。

其实,磁现象人们认识上千年了,但是直到一百年前我们才知道,它不但是一个相对论现象,而且也是一个量子现象。

知乎上有不少问题,问的就是“量子现象有没有宏观效应”云云。例如这个:

对这类问题,大家很容易想到的是一些比较fancy的东西,比如说超导,超流动。但是大家并没有意识到,我们其实早在千年前就已经认识到一个纯粹的宏观量子现象了,那就是磁现象

为何说磁铁只能用量子力学解释呢?早在经典电动力学的时期,不就有了安培的分子电流假说了吗?难道经典电动力学不早就预言了顺磁性抗磁性等特性吗?

答案可以引用费曼讲义中的一段话(第二卷34章)[1]

Yes!—We are going to prove that if you follow the classical mechanics far enough, there are no such magnetic effects—they all cancel out. If you start a classical argument in a certain place and don’t go far enough, you can get any answer you want. But the only legitimate and correct proof shows that there is no magnetic effect whatever.
没错!我们要来证明,如果你严格按照经典力学的定律,将不会有任何的磁效应。如果你不太严格地遵循它,你的确可以得到你想要的答案。但是,真正合格且正确的证明将会告诉你,根本就没有磁现象。

我在这里可以用高中生的语言来谈一下,为何经典理论中不可能会出现宏观磁现象。

看完我的回答之后,你就会知道,高中课本(包括非物理专业的普物课本)里面教给你的东西,其实是错的。那么它为何还会教给你呢?因为它有用

可以说,高中物理课本、大学的普物课本里面到处都是坑啊(我怀疑四大力学和高年级课本也是如此,只不过没有证据 ╮(╯_╰)╭)。

在这个过程中我们牺牲了理论的自洽性,不去讨论理论背后的那些纠结的矛盾,而只是给旧理论打上一个新补丁来用。如果你满足于实用,那么这样做的确没有什么问题。但是如果你对理论自身的问题还有好奇心,你就可以进一步发掘,去找到更深层的奥秘。

我们可以集中在一个问题上,来把这个矛盾暴露出来:

为何磁场不做功,但是磁铁却可以相互吸引/排斥?

磁场(严格说是静磁场)不做功,这一点在中学课本里是很清楚的了。因为洛伦兹力的公式是:

磁场的洛伦兹力总是和运动方向垂直。

而物质的磁性是怎么来的?初等课本里面是这样描述的,因为自旋或轨道旋转的原因,每个电子都是一个小磁矩。在磁场的作用下,这些小磁矩互相之间方向排列整齐,于是就产生了宏观的磁性。

从经典自旋来看,由于旋转产生的磁性,其在受力的时候,受到的仍然是洛伦兹力。也就是说,这个力不可能做功。那么,磁铁到底是怎么相互吸引的呢?

从经典电动力学中我们知道,一个磁矩在不均匀磁场中会受力(吸引或排斥)。我们因此可以建立一个经典模型:一个旋转的电荷(如下图):

在这个图中,这个旋转电荷就是一个小磁铁。我们把它放置于Z方向的磁场中,磁场上部强下部弱。那么这个磁铁怎么受力呢?我们可以来分析一下它的受力。

首先,简化起见我们用一个带电的薄圆盘来代替这个小球。下图就显示了圆盘边缘的磁场方向。我们把磁场分解成两个分量:一个指向圆心 ,另一个平行于Z轴 。


在圆盘的边缘,有一个切向的速度v(如下图)。我们可以很容易得到, 因为这个速度所产生的的洛伦兹力是沿着径向指向外侧的。由于圆盘的对称性,这个受力就会被对面的受力抵消掉,因此它就没有任何的整体效果。

但是, 就不同了。它会产生向上的洛伦兹力(如下图)。圆盘处处受力都是如此。也就是说,整个圆盘就会受到向上的洛伦兹力。于是乎,圆盘就会向上移动。这就是宏观磁力的来源

你可能说,这挺好的啊,这不是用经典电磁学解释了磁铁吸引的现象了吗?

但是故事还没完。且听我继续讲来。

当圆盘受到向上的作用力的时候,它就会向上加速移动。于是,整个圆盘就都附加上了一个向上的速度分量。而通过洛伦兹力的分析,我们很容易就得到,这个向上的速度分量就产生了一个切向的受力。而这个切向受力就产生一个力矩,这个力矩会抵消掉圆盘的旋转!(如下图)

也就是说,从这个理论分析中我们会得到,当一个磁铁被吸引的时候,它自身的磁性会变弱,并且会持续变弱!

这显然和我们观察到的现象不符。

如果我们进一步仔细考虑这个过程,我们会发现,圆盘在受到磁力产生运动的时候,它的转动速度越来越慢的同时,它的平动速度越来越快。整个过程中的能量转换不外乎是转动动能和平动动能之间的转换,和磁场没有毛关系

如果我们进一步,用一个圆环来代替圆盘。我们把初始旋转的带电圆环置于磁铁下方。我们会发现,圆环受到磁铁的吸引靠近,靠近的过程中,转速越来越慢,但是靠近的平动速度却越来越快。当圆环穿过磁铁中心的时候,它的转速变为零,但是此时平动速度达到最大。随着它因为惯性继续向上移动,它开始继续旋转,于是乎转动越来越快,平动越来越慢,就形成了一个震荡过程:

总而言之,没错,经典理论通过经典的旋转电荷的确可以解释磁铁在磁场中受力的问题,但是同时它会预言,磁铁在受力的同时,伴随着磁性的消失!这个可就不对了。


我们还可以用另外一个问题来阐述经典理论的无效。我们来看看磁化的过程。课本中描述的磁化,是物质中作为磁矩的电子在外磁场作用下排列起来。

可是实际上,如果我们严格用理论分析一下就发现不那么简单。比如说我们仍然用一个转动带电圆环来作为模型。我们把这个圆环放置于一个偏斜的外磁场中,这个磁场可以被分解成两个分量, 和 :

那么我们同样分析一下洛伦兹力对它产生的效果。我们来看 分量(如下图)。这个分量可以进一步分解成一个径向分量 和一个切向分量 。切向分量和速度一致因此不会产生效果,但是径向分量则会产生向上和向下的洛伦兹力。我们很清楚地看到,这个力的效果就会使这个圆环发生偏转,从而和外磁场一致起来。



这的确解释了磁矩在外磁场作用下排列一致,但是同样地,这不是故事的全部。我们再继续分析一下。当圆环发生偏转的同时,它就有了附加的一个速度分量。而这个速度分量下,磁场就产生了额外的一个洛伦兹力。这个力的效果就是一个额外的扭矩,抵消掉圆环的旋转(为了保持高中的语言,我们这里忽略拉莫尔进动)。

也就是说,它的确偏转了,但是代价就是自身磁性的消失。等它偏转到与外磁场方向一致的时候,在外磁场的方向上的净磁矩并没有发生任何变化!

也就是说,外磁场根本就不可能使任何物质发生磁化。这显然也是不对的。

其实,这个过程,有一个现成的定理,叫做Bohr–Van Leeuwen定理[2]这个定理需要一些超出高中的知识,这里就不多说了,它是这样说的:

如果我们严格地遵守经典统计力学和经典电动力学,那么任何物质都不可能产生宏观的磁性。因此物质的磁性必须是一个纯粹的量子现象。

那么,磁现象到底和量子力学有何关系呢?留个扣子吧,如果感兴趣的人多,再来更新。建议大家看看堪称量子力学经典实验之一的Stern–Gerlach实验。

参考

  1. ^ https://www.feynmanlectures.caltech.edu/
  2. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Bohr%E2%80%93Van_Leeuwen_theorem
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冻伤要挂烧伤科。

医院里并没有“冻伤科”,实际的处理归于烧伤科。

寒冬季节,耳朵、手、脚要特别注意防护,容易冻伤!

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吃叶子的昆虫都见过吧,趴在叶子上大啃特啃的那种

很多人会觉得这植物怎么都不点抗虫属性啊,就这样放那给虫子吃

然而实际上:

  1. 所有植物其实都具有抗虫的属性,基本上是个植物都含有各种抗虫的化学物质,只是或多或少的问题
  2. 植物可以抗虫,但是虫也可以抗“植物抗虫”啊,你看大肉虫吃植物长得快,然而实际上那已经是植物含有的化学物质降低昆虫生长速度后的速率了
  3. 植物的生长本质是个“权衡”(trade-off)与“分配”(invest)的过程,植物从土壤、阳光中获取养分的速率是有限的,而生长、合成抗虫的化学物质都是需要消耗能量的,植物必须做出权衡,投入多少能量抗虫,投入多少能量生长、繁育
  4. 植物可不是只需要跟昆虫竞争的,植物也需要跟别的植物竞争,长得慢可是要被淘汰的哦
  5. 人工栽培的物种产量、生长速度的增加,往往伴随着抗虫能力的降低,没办法,鱼与熊掌不可兼得
  6. 当然成年人可以全都要.jpg
  7. 所以假如你喂去掉抗虫物质的人工饲料给昆虫,你就会发现…那些昆虫比吃宿主长得还更快!
  8. 以上不绝对

溜了溜了



绿毛虫永远的神,玩宠物小精灵永远必练_(:з」∠)_


©犬君拌汪酱 欢迎关注这条写小说的生态狗

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