紙吸管，可樂的一生之敵 | No.255_風聞

　　可樂

　　肥宅人的快樂水

　　紙吸管

　　環保界的衝鋒者

　　兩者看似風馬牛不相及

　　但他們一旦相遇

　　就是一場血雨腥風

　　紙吸管

　　可樂的一生之敵

　　（所以為什麼不直接大口喝可樂呢

　　）

　　**Q1****為什麼純棉的衣服會縮水？什麼材質的衣服也會縮水？**by 1

　　答：

　　其實，除了棉織物以外，幾乎所有的纖維織物在初次洗滌之後都會發生一定程度的收縮。這是因為，織物纖維都是高分子有機物的長鏈編織而成，而這些有機物長鏈，在其自由能最低的狀態下都是捲曲起來的。為了織出挺直的衣物，在紡織天然纖維或是合成人造纖維的過程中，都會加熱並拉伸纖維。捲曲的纖維在加熱過程中舒展開來，在外力的作用下進一步拉直，冷卻過程中纖維之間形成新的鍵聯，伸直的形態就被固定下來。

　　在初次洗滌的過程中，水分子進入到織物纖維的間隙之間，削弱了纖維分子的相互作用，繃緊的纖維分子於是紛紛鬆弛下來，曬乾後衣物的尺寸便減小了。洗滌過程中衣物受到的外力捶打，也有可能使纖維分子間的鍵聯斷裂，導致纖維鬆弛收縮。除此之外，羊毛織物在水洗過程中還可能出現“縮絨性”，這是因為毛髮表面覆蓋着一層層角質蛋白構成的鱗片，在紡織過程中鱗片間隔被拉大，水洗過程中收縮，這也會導致織物縮水。

　　總而言之，洗滌過程中水分子進入纖維間隙，織物纖維分子間的鍵聯被削弱，纖維發生捲曲和收縮，這是造成織物縮水的主要原因。而纖維分子間的鍵聯削弱則主要是水分子進入分子間隙引起的。因此，雖然不同材質的衣物都可能發生縮水，纖維排列疏鬆的織物，如羊毛、純棉衣物的縮水更為明顯。

　　by 樂在心中

　　Q.E.D.

　　**Q2****為什麼油炸食品脆脆的，水煮的就軟軟的？**by 匿名

　　答：

　　油炸過程是脱水的過程。油炸食品時油温在200℃左右，會先使得食物表面的水分沸騰出來，食物表面温度在100℃附近；在表層水分損失之後，食物表面温度會逐漸向油温靠攏，澱粉開始糊化，蛋白質逐漸變性，表面開始變脆，這一過程中，食物內部水分也會以氣泡形式蒸發出來，進一步導致食物變得鬆脆，當然這在一定程度上阻礙了油進入食物內部。一個比較好的做法是油炸兩次，第一次簡單使食物吸油，第二次炸的時候就能使得整個食物內外都變脆。

　　水煮過程是吸水過程，食物自由水增加，因此變軟，實際上油炸物品長時間暴露在空氣中，也會因為吸水而變軟。

　　by Alan

　　Q.E.D.

　　**Q3****鏡子反射的光線會有能量的損失嗎？**by 鏡幻

　　答：

　　會有損失。一方面實際鏡子的組成材料（如SiO₂）不可避免會對入射光有吸收，同時鏡面不可能絕對光滑平整，會產生四面八方的散射（漫反射），導致入射光能量的損失。另一方面，即便忽略吸收和散射過程，電磁波照射到鏡子上也會發生透過和反射兩個過程，使得反射率小於100%，因此每一次反射都會有能量以透射的形式損失。對於相距3米反射率為95%的兩面鍍銀鏡面，1KW的燈1秒內發出的光在其間來回折射，只需要0.00001秒光線能量就會完全損失掉，即便使用99.99999%超高反射率的材料，這一過程也只需要5秒。需要區分的是，全反射過程中確實能夠消除折射光導致的能量損失，但即便這樣也無法消除吸收和散射帶來的損耗，當然這並不影響我們利用光纖來進行信息傳輸，因為雖然光纖內的電磁波時間上來看也是損失的很快，但這短暫的時間光已經走出很遠的距離，信息傳遞早已完成！

　　參考資料：

　　[1] 兩面鏡子間發射一束光，光會不會一直反射下去？

　　by Alan

　　Q.E.D.

　　**Q4****透明的物體，為什麼我們也能看見？**by 匿名

　　答：

　　這是個非常有趣的問題。首先我們知道，可見光的本質是電磁波，可見光其實是是電磁波譜中人眼可以看見的部分，而“看到物體”其實是物體發出（或反射）的可見光進入了我們的眼睛。我們生活的環境中充滿了各種各樣的光介質，不同介質中光的傳播速度不同。根據費馬原理，光會沿着使光線傳播時間最穩定的路線傳播。在均勻的介質（比如温度均勻的空氣或水）中，光路一定是直線；但是當介質不均勻時，光路就不一定是直線了。海市蜃樓、太陽下山晚等等有趣的現象就是由此導致的。

　　説回到透明物體。我們在生活中大多數“看到透明物體”的現象其實就是光介質不均勻所導致的。我們可以簡單分類討論：

　　有一種情況是光介質發生了改變。光在界面上會發生折射和反射，和人眼位於界面同一面的光源向界面發射光，反射光進入我們的眼睛，我們就看到了界面的存在。和人眼位於界面不同面的光源向界面發射光，折射光進入到我們的眼睛，也會使我們察覺到中間有透明的物質存在。透明玻璃上的反光，放大鏡的放大效果都是這種現象的體現。

　　還有一種情況是，同一種的介質由於各種因素影響變得不再均勻，光在其中也不再沿直線傳播。直觀的體驗是夏天的午時站在柏油馬路旁，你會看到空氣中“熱浪滾滾”。這實際上就是由於地面高温，熱量傳遞到空氣中，使得空氣不再均勻，穿過空氣的光線也不沿直線傳播，看起來就像某種物質在空氣中瀰漫一樣。

　　其實，不光可以説某物質對可見光是“透明”的，也可以説某物質對其他波段的電磁波是透明的。比如，骨頭對X光是不透明的，而其他身體組織對X光卻是透明的，因此我們可以用X光成像看到身體內部，幫助醫生診斷。

　　最後，我們可以稍微拓展一點。從電動力學的角度，真空才是真正的透明，其他物質都會與電磁波作用並影響電磁波的傳播。另一方面，我們由廣義相對論可知，在大質量的天體附近，時空會發生明顯的彎曲，在這裏傳播的光線也會看起來發生彎曲。之前轟動一時的黑洞照片中的像，其實就是背景光源的光線經過了黑洞附近，發生彎曲的光線被我們觀測到所成的像。因此，和前面討論的類似，我們也能借助時空的彎曲來“看”到透明的真空呢。

　　by Quesmark

　　Q.E.D.

　　**Q5****太空垃圾這麼多，衞星撞到的概率有多大呢？**by Delta. du

　　答：

　　太空垃圾是地球周圍零碎的無用人造物體，小到漆片、粉塵，大到一整片飛船的殘骸。目前地球軌道上有1億個一粒鹽大小的人造物體、50萬個彈珠大小的物體、2.3萬個接近或超過壘球大小的太空垃圾，而且其數量每年還以2%～5%的速度遞增。

　　下圖是太空垃圾模擬圖，而衞星與這些密集物體的撞擊概率是很大的，早在1990年回收“挑戰者號”時就發現其表面與太空垃圾撞擊留下的凹槽多達3.2萬個，平均每天撞擊15次，2016年歐洲空間局（ESA）也在其官方網站公佈艙體被極微小的太空垃圾撞擊留下的密集的槽。只是撞擊的太空垃圾直徑可能不到千分之一毫米，沒有危險性。但大碎片就完全不同，只要與一塊大於10釐米的太空垃圾碰撞，航天器就會遭遇毀滅性打擊，比如2009年2月10日，銥星33號和已經退役的蘇聯宇宙2251號相撞，僅僅4個月後，碰撞產生的太空碎片就已經幾乎佈滿大半個地球上空。而在1億塊環繞地球運行的太空垃圾中，直徑超過10釐米的至少有2.7萬塊。

　　參考資料：

　　[1]衞星排隊上天 太空垃圾成災

　　[2]衞星突然撞上太空垃圾，後果到底有多嚴重？看完大開眼界

　　by Alan

　　Q.E.D.

　　**Q6****自然界中的絕大部分彩色，都可以由三種基色按一定比例混合得到，那麼三基色又是怎麼得到的？**by 奇怪君

　　答：

　　“基色”亦稱“原色”，是指不能通過其它顏色混合調配而得到的最基本的顏色，所以對於“原色”，自然就不是“得到”的，而是人為定義的。那我們平時常説的“三原色”，又是如何定義的？為什麼偏偏選擇這三種顏色而非其它顏色？這其實源於人體肉眼對光線的響應。

　　人的眼睛內通常具有三種類型的視錐細胞（S、M、L），分別能對不同範圍波長的光進行響應。S視錐細胞會對波長在400-500nm範圍內的光進行相應，峯值出現在420-440nm處（藍紫色）；M視錐細胞會對波長在450-630nm範圍內的光進行相應，峯值出現在534-555nm處（綠色）；L視錐細胞會對波長在500-700nm範圍內的光進行相應，峯值出現在564-580nm處（黃綠色）。

　　人的S、M和L類別視錐細胞對單色光譜刺激的歸一化響應光譜 | 圖源：wikipedia

　　若現在要找出三種顏色，能夠分別使其中一種類別的視錐細胞的響應強度遠高於其餘兩種，那麼紅、綠、藍將會是最佳的選擇，故將此三色定為原色。

　　當原色以不同比例混合時，會產生其他顏色，在不同的色彩空間系統中，有不同的原色組合，可以分為“疊加型”和“消減型”兩種系統。

　　“疊加型”原色系統中通常包含光源投射時所使用的色彩，以紅色、綠色、藍色作為原色（亦稱為“三基色”）。若將此三原色的飽和度均調至最大並且等比例重疊時，則會呈現白色。這套原色系統常被稱為“RGB色彩空間”，亦即由紅（R）綠（G）藍（B）所組合出的色彩系統。

　　疊加型原色系統 | 圖源：wikipedia

　　“消減型”原色系統中通常包含反射光源或顏料着色時所使用的色彩，以黃色、青色、品紅作為原色，聰明的你肯定已經發現，這三個顏色正是“疊加型”原色系統中三種原色兩兩混合後產生的。在傳統的顏料着色技術中，通常以紅色、黃色、藍色作為原色，而現代基本都已採用“消減型”原色系統。若將此三原色的飽和度均調至最大並且等比例混合時，理論上會呈現黑色，但實際上由於顏料等原因呈現的是濁褐色。正因如此，在印刷技術中往往會加入第四種原色——黑色，其與前三種原色組成了“CMYK色彩空間”，即由青（C）品紅（M）黃（Y）以及黑（K）所組合出的色彩系統。

　　消減型原色系統 | 圖源：wikipedia

　　參考資料：

　　[1] 原色

　　[2] 彩色視覺

　　by Eric

　　Q.E.D.

　　**Q7****作為微小的物質，細胞和原子有什麼區別？為什麼一般都講人體由細胞構成，不講由原子構成？**by 小玫瑰

　　答：

　　細胞和原子在體積上區別就已經很大了，某種意義上細胞已經不是微小的物質了。常見的大腸桿菌（E.coli）就已經有2μm長了，遑論哺乳動物長達1m的神經元和鳥類碩大的卵細胞。而碳原子的原子半徑約有70pm，和細胞相比完全不在一個數量級（1μm=1,000,000pm，1m=1,000,000μm）。

　　同時，細胞和原子在功能上的複雜性完全不能相比，細胞有極為複雜的結構和功能。例如，細胞內常見的液液相分離（LLPS：liquid-liquid phase separation）產生的液滴，其結構和功能都缺乏瞭解。細胞是生命活動的承擔者，我們和路邊的石頭都是原子組成的，但是因為我們人類是細胞構成的多細胞生物，才會有複雜而迷惑的行為。

　　人體由細胞構成的説法，一方面是歷史形成的習慣，生物由細胞構成，細胞學説的建立是生物學發展史上非常重要的篇章；另一方面以細胞作為功能的主要單元，在研究和教學中更加科學方便。流式篩選篩選的是細胞，細胞培養培養的是細胞，單細胞測序也是對細胞的分羣……以細胞作為基本單元可以很好的將組織和蛋白水平上的差異統一。而細胞乾性、細胞分裂和分化的存在，也將生物體的基本單元限制在細胞水平。

　　by 某大型裸猿

　　Q.E.D.

　　**Q8****為什麼用紙吸管喝可樂會有泡泡冒出來，而且是吸一口就冒一會兒的那種？**by 歪比歪比

　　答：

　　上週關於紙吸管喝可樂冒泡問題的解答引起了很多同學的討論(指路No.254 Q5)。為了更好地理解此問題，我進行了簡單的實驗驗證。

　　實驗用具：330ml罐裝可口可樂，肯德基冷飲用紙吸管，表面粗糙的小石子，一次性筷子，小刀，直飲水機純淨水。

　　實驗現象：①將表面粗糙的小石子、一次性筷子、紙吸管分別放入三罐剛打開的可樂，均發生了快速產生氣泡的現象，並且放入石子的一罐產生氣泡的速度快很多，而放入一次性筷子和紙吸管時產生氣泡的持續時間更長。肉眼觀察，紙吸管和一次性筷子的粗糙度相仿，石子的粗糙度更高。②當紙吸管插入深度較深時，泡沫會從吸管中湧出。而當插入深度較淺時，泡沫主要在罐口處產生。控制插入深度在適當值，會在吸管內看到穩定在某一高度的泡沫，同時罐口處不斷產生氣泡。③用小刀切割紙吸管，在截面上滴純淨水，發現不論在截面上還是表面上，吸水速度都較慢。

　　圖1 從左至右分別為放入一次性筷子、紙吸管、石子時的氣泡產生情況

　　圖2 紙吸管的吸水性能、紙吸管與一次性筷子的粗糙度對比

　　實驗結論：①可樂本身是過飽和溶液，一旦引入成核位點，過飽和的CO₂就會析出。粗糙度越高，析出速度越快。紙吸管的粗糙表面就是很多的成核位點，這是使得溶解在可樂中的CO₂析出的主要原因。②吸管插入後產生毛細現象，由於泡沫的密度很低，吸管內液麪抬升的高度提高很多。當抬升高度大於吸管在液麪以上部分長度時，泡沫就會源源不斷地從吸管內湧出。抬升高度小於吸管在液麪以上部分長度時，則主要在罐口處產生氣泡。③紙吸管的吸水性很差，在插入可樂後的短時間內能吸走的水分有限，紙吸水帶來的化學平衡移動應當不是造成可樂中CO₂析出的主要原因。

　　本實驗僅為演示現象，詳細定量研究還需排除温度，物體形狀，放入速度等因素的影響。

　　擴展討論：原問題中説“吸一口冒好一會”，對此筆者認為，吸管插入時氣泡就已經在產生，吸一口的同時會把氣泡吸上來，之後冒好一會只是氣泡在持續產生。

　　從可樂中的曼妥思到紙吸管，一杯飲料激發了無數人對科學的好奇。本次實驗用到的都是生活中隨處可見的東西，歡迎讀者自行嘗試，或者提出新的假設和實驗。下次再喝可樂時，可以理直氣壯地説，我喝的是汽水嗎？我喝的是知識~

　　by 老張

　　Q.E.D.