為什麼麪包放久了變硬，餅乾卻變軟？| No.266_風聞

原創：中科院物理所

　　麪包和餅乾

　　都含有澱粉且都暴露在空氣中

　　但一個變硬，另一個卻變軟

　　就像我和別人家的孩子

　　都是放學了去玩

　　一個捱罵，另一個卻挨誇

　　究竟是什麼導致了這其中的差別呢？

　　**Q1****高中化學中學到硫化氫氣體有臭雞蛋氣味，那麼臭雞蛋散發出的氣體是硫化氫嗎？**by 匿名

　　答：

　　研究表明[1]，變質雞蛋內容物樣品中優勢菌羣主要是變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmieutes)，這兩門的細菌裏又有極多的小類。各種細菌參與了不同類別的分解雞蛋內蛋白質的過程。其中，檸檬酸桿菌屬的細菌可能通過代謝產生各種胺醇醛酮以及硫化物。芽孢桿菌屬可以產生有機氨或者氨氣。這些五花八門的細菌大雜燴產生了許許多多各種各樣奇奇怪怪的有刺激性氣味的氣體，硫化氫只是其中的一部分。吲哚、胺、氨氣等也是有強烈刺激性氣味或者惡臭的氣體物質。

　　Ref:[1]申田宇. 雞蛋貯藏期主要腐敗菌的分離與鑑定[D].湖南農業大學,2019.

　　by Luna

　　Q.E.D.

　　**Q2****我們知道光線是互逆的，就是説站在對面的人能看到你，你也能看到他，但實際上如果你站在一樓，另一個人站在六樓，他可以看見你，但你很難看見他？**by 笑笑

　　答：

　　因為人類的頭在人的上部，樓沿不會對在上部的人的視野形成遮擋。

　　比如在高處的人往下看的視角如下圖角A所示：

　　而從低處看高處的人能看到的視角如角B所示：

　　看起來差不太多？但是要記住，樓的邊緣藏住了站在高處的人的一部分軀體(甚至只露一個眼睛/腦袋)，而不會遮擋他們的視線，低處的人看高處的人的視角小於高處的人看低處的人的視角。所以高處的人很容易發現低處的人，而低處的人不容易發現高處的人。這也就是為什麼古人云，“居高臨下”，站在高處，不僅視野更好，也不容易被發現。

　　但是光線的可逆性依然是正確的，假設AB一個人在高處一個人在低處。如果A的視野中有B的眼睛，那麼B的視野中一定也有A的眼睛。

　　by Luna

　　Q.E.D.

　　**Q3****同樣是暴露在空氣中，為什麼麪包會變幹而餅乾會變綿？**by 匿名

　　答：

　　麪包變幹變硬主要是由於澱粉的老化，而餅乾變軟則是由於餅乾吸水回潮。

　　其實不只是麪包，像米飯、饅頭等米麪製品在放置以後都會變幹變硬。麪包等米麪製品含有大量澱粉。生澱粉中的澱粉分子排列非常緊密，它們通過氫鍵形成極致密的疏水性微膠粒結構，這種狀態的澱粉與酶不易發生反應，難以消化。當我們將澱粉粒與水共同加熱，澱粉分子間的氫鍵被破壞，在60~70℃變成糊狀，此時澱粉的微膠粒結構消失，易與酶反應，容易消化。

　　在温度較高的情況下，澱粉的糊化比較穩定，但當温度降到30℃以下，或接近這個温度時，澱粉分子間的氫鍵便會恢復成穩定的狀態，澱粉分子彼此通過氫鍵再次相結合，分子之間又逐漸按次序緊密排列起來。與此同時，原來所含的水分逐漸被排擠出來而減少。這時，原本鬆軟可口的饅頭面包就會變得“堅不可摧”。

　　而餅乾雖然也含有大量澱粉，但由於餅乾在製作過程中經過高温烘烤，含水量很低，而餅乾中往往又含有大量鹽和糖。因此，餅乾內部乾燥的環境使得餅乾容易吸收空氣中的水分，鹽和糖的微粒也可以吸潮，便加劇了餅乾的吸水回潮，使得餅乾逐漸“綿軟無力”。

　　參考資料：

　　麪包放久了，為什麼會變硬？

　　為什麼餅乾打開放一夜會變軟，而麪包會變硬？

　　by 霜白

　　Q.E.D.

　　**Q4****為什麼高壓線附近會有滋滋滋的聲音？**by 匿名

　　答：

　　這是由於電暈放電。

　　電暈放電是指氣體介質在不均勻電場中的局部自持放電。常壓下，空氣的電離場強約為20-30KV/cm，在高壓線附近，導體表面的電場強度達到這個數量級時，其附近的氣體介質就會被局部擊穿而發生電暈放電現象，這種現象一般發生在曲率半徑較小的電極附近，例如高壓傳輸線和同軸圓筒所包圍導線的表面。

　　在電暈放電中，伴隨着空氣分子的遊離、複合、激勵與反激勵等過程，電暈放電會有聲、光、熱效應，表現為發出“嘶嘶”的聲音，有時會有微弱的輝光以及周圍温度上升等。你聽到的聲音大概就是電暈放電的聲效應。

　　在雨天，由於空氣潮濕，氣體電阻降低，更容易出現電暈放電現象。

　　電暈放電有很多危害，例如：其會造成輸電損耗、會產生高頻脈衝電流，對無線通訊造成干擾、還會令空氣發生化學反應，生成臭氧、氮氧化合物等，對金屬介質造成損害；但另一方面，電暈放電原理也有很多應用，像真空電鍍、物理氣相沉積、印刷、除塵、除靜電殺菌、消毒等都可以用到電暈放電原理。

　　參考資料：

　　你知道電暈放電嗎？是好還是壞？

　　電暈放電

　　高壓輸電線放電電暈及減少方法

　　by 霜白

　　Q.E.D.

　　**Q5****爆炸發光是一瞬間的事，為何超新星爆發能持續那麼久？**by 油壓千斤頂

　　答：

　　同樣是爆炸，此爆炸非彼爆炸，爆炸和爆炸之間的區別很大。我們先複習一下比如炸藥爆炸、粉塵爆炸、氣體爆炸之類爆炸的共通點。

　　這些爆炸基本都是化學反應，發光和發熱來自於化學反應，這些反應在短時間內由反應自身發出的熱量而自持進行，放出大量可見光和熱形成“爆炸”。在這樣的反應中,反應和發熱發光是同步的。

　　但是超新星爆炸卻並不是這樣。超新星的種類不同，爆炸的機制也有區別。超新星爆發(天文/光學觀測到的)是一個持續時間很長且相當複雜的過程，在這裏沒辦法詳細論述。總體來説，超新星的爆炸和發光是分離的。爆炸中的核反應發生的時間較短，而發(可見)光主要來自於爆炸之後的殘餘物和拋出物。

　　它們的光變曲線是這樣的：

　　其中，以Ia型超新星為例，它的光變曲線主要有兩部分組成，一部分是Ni-56的衰變（半衰期6天），另一部分是Co-56的衰變（半衰期77天）。這些因為核反應而誕生的放射性元素不會一瞬消失，而是慢慢地衰變併發出輻射。

　　參考資料：

　　超新星類別和能量釋放特點簡介

　　超新星光變曲線

　　by Luna

　　Q.E.D.

　　**Q6****沙漏計時均勻嗎？**by just hazelll

　　答：

　　在比較長的時間尺度上看，沙粒的下落基本是均勻的。不過留心觀察會發現，沙子下落時並不像水流那麼順滑，而是以粗細並不均勻的“沙流”下落。這種不均勻流動是氣體壓強的變化導致的。沙子的下落阻礙了上下兩層之間的氣體流動，當上層的沙粒減少時氣體體積增大壓強隨之降低，而下層的壓強反之會升高，壓強差使沙流減速。沙流減速後氣體流動改善，壓強差減小，沙流再次加速，壓強差增大，由此循環往復產生類似振盪的效果。

　　物理學頂刊PRL上曾經發表過研究沙漏中振盪現象的實驗文章“Why hour glasses tick”，下圖是他們文章中的實驗結果。

　　他們用兩種不同直徑（81微米和41微米）的玻璃珠作為沙粒分別進行實驗，橫座標是下落的時間，縱座標是下落沙粒的總質量。×5是因為41微米玻璃珠在相同時間內下落的總質量較小，把質量數據×5方便讀圖。這個實驗結果和前面的分析一致，沙流不是連續落下而是類似週期式成股落下。圖中的小圖則是研究了不同大小沙粒每一股落下的質量，可以看到沙粒直徑越大每一股落下的質量越大（這個結論需要在一定直徑範圍內成立，比如沙粒如果比沙漏瓶頸大那就無法落下）。

　　上述的文章發表於1993年，為了測量落下沙粒的質量還對沙漏進行了一些改裝。今天我們想研究這個問題十分簡單，只要用高速攝影拍攝一下沙粒落下的過程就能得到定性結論，需要定量結論也只需選取一段時間對沙粒進行一下統計即可。

　　關於這個問題更詳細的解釋可以移步參考資料中的內容。

　　參考資料：

　　如何加速沙漏下落讓飯店免單

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

　　by 老張

　　Q.E.D.

　　**Q7****有不用實體就可以記錄重量單位1kg的方法嗎？**by (◐‿◑)

　　答：

　　使用實體記錄1kg單位的方法已經是老黃曆了。

　　在1889，科學家們搞了一個標準物體來標定1kg的重量。就是這個玩意兒：

　　但是這個東西的質量可能會因為氧化呀磨損啊什麼的改變,時間久了説不定就不準了，所以在2019年被淘汰了。因為我們希望得到一個質量不會改變的“標準件”，最好使用宇宙中不會改變的那些東西-物理學常數來表達我們的標準。在新的定義中，質量的定義只使用了物理學常數，脱離了一切具體的實物。

　　在2018年的國際會議上人們以下圖所示的方式定義1kg(2019年生效)：

　　這些物理量可能看起來稍微有點亂，文字總結一下就是1kg的定義使用了：普朗克常數h（單位kg·m^2/s），原子鐘振動的頻率ν（單位1/s）和光速c（單位m/s）。通過組合這三個量 hν/c^2，就可以得到單位為kg的物理量了。

　　在1889年，量子力學還沒有被建立，物理學家們甚至還沒有發現普朗克常數h這個物理學常量。所以此時還沒有一個不依賴實體的定義能量的方法，也因此沒有不依賴實體定義質量的方法。（能量/速度^2=質量）

　　二十世紀初誕生的量子力學給了物理學家們不依賴實體定義能量標準單位的方法。如頻率ν的光子的能量就是hν。自此，能量獲得了不依賴實體的定義，這一定義自然也可以通過簡單的公式推廣到質量的定義上。質量也因此獲得了不依賴實體的定義。

　　在這裏我們可以給出一個拋開實驗(也拋開了實際情況)的定義：一個頻率為1.35639249×10^50Hz的光子的動質量是1kg.

　　補充知識：實驗層面上，具體的實驗方法是使用Watt balence和約瑟夫結以及量子霍爾效應，測量出精度超高的普朗克常數。如果把此時測量得到的普朗克常數拿來作為確定的數值，也就等效於固定了測量普朗克常數時使用的砝碼（1kg的定義）為標準砝碼（標準的1kg的定義）。換句話説，就是把一個手頭上已經有的實體和物理學常數捆綁在了一起。

　　參考資料：

　　國際千克原器

　　2019年國際單位制單位定義修改

　　來重新定義質量吧

　　by Luna

　　Q.E.D.