為什麼泡麪能泡軟？你可能懂了，但不是真的懂| No.317_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-07-22 14:28
原創：中科院物理所
泡麪是一種很神奇的食物
長時間不吃又想吃
吃了又反感
不過為什麼脆脆的泡麪
一加熱水就變軟了呢？
Q1天氣預報中預報的温度是離地面多少米的温度？by 匿名
答：1.5米。
我們在天氣預報中看到的氣温是由自動氣象站給出的，根據國家標準，自動氣象站的温度計要被設置在距離地面1.5米的白色百葉窗內，地面應當是草地。這樣可以排除風速、陽光直曬和地面的影響，同時1.5米大約是成年人頭胸部的位置，相對比較有參考意義。
參考資料：
GB/T 33703-2017, 自動氣象站觀測規範[S]
QX/T 45-2007, 地面氣象觀測規範[S]
by 藏痴
Q.E.D.
Q2新冠抗原檢測試劑盒是利用什麼原理顯示出結果的？by Eric·Xu
答：試劑盒是利用的是免疫，生物體在外源蛋白的刺激下，產生出特異性識別該外源蛋白的抗體。如果外源蛋白是來自於其他物種的抗體，也可以產生識別該抗體的抗體，也就是通常所説的二抗。在新冠病毒的識別中，一抗可以是識別病毒衣殼蛋白的鼠源抗體（將病毒衣殼注射進小鼠體內，小鼠產生的抗體），二抗便可以是是識別該鼠源抗體的兔源抗體（將鼠源抗體純化後，注射進入兔子體內，兔子產生的抗體）。
Fig1 一抗二抗識別機制而抗體可以利用化學反應加上特異性的標籤，使其便於識別，試劑盒中通常使用粉色的膠體金或乳膠顆粒
Fig2 膠體金不同尺寸有不同顏色在正常情況下，病毒會識別細胞表面受體，進入細胞，在細胞中完成核酸複製、殼蛋白表達、殼蛋白和核酸組裝，最後以病毒顆粒形式釋放出細胞，感染其他細胞，新冠病毒感染呼吸道細胞也是同樣的過程。
Fig3 病毒在細胞內擴增拭子刮取鼻腔或者口腔，刮取下來的主要是上皮細胞，以及很少量病毒顆粒。我們將刮取過的拭子加入裂解液中，利用高鹽和去垢劑來破壞細胞膜，獲得細胞內容物，如果細胞已經被感染，這時細胞內也會有病毒蛋白表達，便會溶解在溶液中。
試劑盒的模式圖如圖，底板提供支撐，樣品墊吸收滴加進去的裂解液；偶合物墊裏含有膠體金或者顯色乳膠標記的抗病毒抗體；T線噴塗固定有抗病毒抗體；C線噴塗固定有抗“抗病毒抗體“的抗體，就是之前説的二抗；吸水墊是最後的多餘液體的吸收處。
當你把樣品滴加進去之後，濕潤樣品墊與偶合物墊，讓偶合物墊裏的抗體去識別你的溶液中是否有抗原，如果有會結合抗原形成複合物溶解在溶液中，如果沒有便會以單體形式溶解在溶液中。然後溶液會在NC膜（硝酸纖維素膜）上進行層析。
最後附一下核酸檢測和抗原檢測的效力比較:
by 某大型裸猿
Q.E.D.
Q3為什麼泡麪泡泡就軟了by 瓦格恩頭目
答：簡單來講是由於方便麪麪餅中澱粉的吸水糊化作用。期間澱粉分子之間的氫鍵斷裂，轉為與水分子成氫鍵，澱粉鏈段可以更加自由運動因此變軟。
圖1 方便麪！（不想整一碗？）方便麪麪餅主要由各種麪粉製成，比如小麥、大米或蕎麥粉。其中含有的主要成分是澱粉和水，還含有一定比例的蛋白質。蛋白質含量以8.5–12.5%為宜，其形成的網狀結構使得麪條更具彈性，免於在乾燥過程中破碎，此外還可以減少油炸過程中對於脂肪的吸收。
圖2 澱粉分子間的氫鍵示意 | 圖片源於資料【3】麪餅加工時以油炸或熱風乾燥的方式乾燥脱水，含水量從吸水狀態的30-50%下降到10%甚至5%以下。此時澱粉分子之間會形成較強的氫鍵網絡，澱粉鏈段無法自由運動，因此表現出較為乾硬的質感。當加水後，水分首先進入非晶部分，進而打破澱粉分子間的氫鍵並與澱粉分子成鍵，即發生近似溶解的過程，只是由於澱粉的量較多以及蛋白質網絡的支撐仍保持固態的整體形狀。
圖3 澱粉分子與水成鍵示意 | 圖片源於資料【2】
由於其本質與溶解相似，因此軟化的速度往往與温度有關，即一般需要熱水沖泡才能有效糊化。然而通過噴霧蒸煮技術可以生產在較低温度與水結合的冷水膨脹澱粉。
參考資料：
[[1] Instant noodles](https://en.wikipedia.org/wiki/Instant_noodles)
[2]Panic, Vesna; Seslija, Sanja; Nesic, Aleksandra; Velickovic, Sava (2013). Adsorption of azo dyes on polymer materials. 67(6), 881–900.
[3]Sudhakar, Y. N.; Sowmya, ; Selvakumar, M.; Bhat, D. Krishna (2012). Miscibility Studies of Chitosan and Starch Blends in Buffer Solution. Journal of Macromolecular Science, Part A, 49(12), 1099–1105.
Cold Water Swelling Starch Market
by 雲開葉落
Q.E.D.
Q4
光能是如何轉化為熱能的?by 十分好奇的準高一學生
答：這個問題等到學到高中物理選修3-5之後就很清楚啦。
從宏觀上看，根據能量守恆定律，能量不會憑空產生或消失，只會從一種形式轉化為另一種形式，或從一個物體轉移到另一個物體。光能被物質吸收後，轉化為了物質的內能，一般認為，熱能就是一種內能，因此也可以説轉化為了熱能。內能增加，直觀的表現就是温度升高，所以被太陽曬到會感覺熱。
從微觀來看，光具有波粒二象性，既有波動特性，又有粒子特性，光能便是光子攜帶的能量；內能的微觀表現便是構成系統所有分子無規則運動動能、分子間相互作用勢能、分子內部以及原子核內部各種形式能量的總和。構成物質的微觀粒子（這裏我們只考慮原子，實際上在高中學習中會做細分）處於一系列分立的能級，當光子的能量恰好等於兩能級之差時，原子便會吸收光子，從低能級躍遷至高能級，物質的內能增加。
將上述微觀過程反過來，原子從高能級躍遷至低能級，同時產生光子，這便是熱能轉化為光能的過程，也就是熱輻射。人體、桌子、板凳，所有物質每時每刻都在做熱輻射，只不過大多數輻射能量較低，光子頻率低於可見光範圍，但可通過特定的儀器探測吸收這些輻射出的光子，這便是紅外探測器的工作原理。
氫原子能級示意圖，圖中的箭頭代表氫原子從高能級躍遷至低能級的過程。by 樂子超人
Q.E.D.
Q5既然熱量無法從低温物體自發傳導到高温物體，那最初的物理學家和化學家是用什麼方法制取液氮等製冷劑的?by 銫原子鐘
答：液氮和液氦都是由氮氣、氦氣液化而來的。既然聊液化這種相變，那就來看一下相圖。對於大多數氣體，我們都可以在P—T相圖上找到一個特殊的臨界點。典型如下面給出的水的P—T相圖。臨界點右上方，由於温度和壓強都足夠高，因此氣體和液體的區別變得模糊，成為超臨界流體。
當液體温度低於臨界温度時，液化某種氣體只需要大力出奇跡——加壓——就可以了，乾冰作為一種常用的製冷劑，就是將二氧化碳加壓液化後得到的液體進一步凝固得到的。
對於臨界温度低於室温的氣體，比如氮氣、氧氣、氦氣，就不能簡單地加壓液化。現代工業制液氮通常使用液態空氣分餾法，也就是將空氣降温，根據不同成分的沸點高低不同，沸點最高的最先液化並被分離。但是，這並不是早年科學家第一次獲得製冷劑的方法。
在低温物理學發展史中，荷蘭科學家卡末林·昂尼斯貢獻卓著。他首先液化了氫氣、氧氣、氦氣等氣體，並首先發現了超導現象。昂尼斯在液化氦氣的過程中使用的裝置叫做林德-漢普遜循環，這個裝置的原理則是著名的焦耳-湯姆遜效應。因為大家都不想看公式（不是我不想敲），就只用語言簡單敍述一下焦—湯效應的內容。
裝有節流閥的絕熱管中，節流閥左側氣體壓強較高，右側壓強較低。當左側氣體被活塞推到節流閥右側時，氣體的焓不變，這個過程叫做節流過程。節流過程前後氣體的温度會發生變化（可能增加也可能降低），這就是焦耳—湯姆遜效應。根據熱力學第一定律可以定義出一個焦湯係數，代表等焓過程氣體温度隨壓強的變化率。在一定温度和壓強區間內，氦氣的焦湯係數處於節流過程的製冷區，可以用於將氦氣降温、液化。
焦—湯效應原理圖示，底圖源於參考鏈接參考資料：
[[1] Heike Kamerlingh Onnes](https://en.wikipedia.ahut.cf/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes)
[[2] 林德-漢普遜循環](https://zh.wikipedia.ahut.cf/wiki/%E6%9E%97%E5%BE%B7%EF%BC%8D%E6%B1%89%E6%99%AE%E9%80%8A%E5%BE%AA%E7%8E%AF)
[[3] 什麼是焦耳-湯姆遜效應？](https://zhuanlan.zhihu.com/p/358380612)
[4] 汪志誠，熱力學·統計物理（第五版）[M]，高等教育出版社，2013
by 藏痴
Q.E.D.
Q6核聚變為什麼難實現可控?by 薛定諤的貓
答：核聚變：指質量小的原子，主要是指氘，在超高温和高壓下，核外電子擺脱原子核的束縛，兩個原子核互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核（如氦），而總質量會損失，損失的質量就變成了大量的能量釋放出來。
核聚變示意圖核聚變就是我們俗知的“氫彈”的原理，而可控核聚變類似於控制“氫彈爆炸”的過程，讓能量持續穩定的輸出，這到現在還是困擾科學家的超級難題。
難點一：保持超級高的温度。要使兩個原子核發生聚變反應，必須使它們彼此靠得足夠近，而這需要幾千萬度以上的高温，因為在這個温度下等離子氣體（等離子體由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的物質狀態，在核聚變反應中物質都以等離子體的狀態態存在）中的部分原子核才能能進行聚變反應，並且温度越高聚變反應進行得越快。
難點二：讓反應堆等離子體保持自持。處於高温下的等離子體的不穩定性，使它只能被約束一個很短的時間。為了使足夠數量的等離子氣體發生聚變反應，並能自持下去，就必須對參與反應時的等離子氣體的密度和實現對它可靠的約束時間之間有一個要求，即勞遜條件（見參考文獻）。
難點三：核材料的苛刻條件控制。以氘氚核聚變反應為例。由於氚（T）的半衰期短，不存在天然氚，人工製造非常昂貴，所以聚變堆中的氚都需要循環利用，類似於反應中的催化劑。如下圖所示
消耗氚示意圖
產生氚示意圖但是，目前的反應堆氚的消耗/增殖比很低並且反應壁會和等離子體直接接觸，滯留大量的氚。所以需要苛刻的條件控制，否則氚越用越少，直接會導致等離子體熄滅停堆。
可控核聚變尚未成功，同志仍需努力啊！
注：本文的核聚變指的託卡馬克裝置實現的核聚變，其餘方法仍在理論預測階段，此處不展開討論。
參考資料：
武佳銘.可控核聚變的研究現狀及發展趨勢[J].電子世界,2017(21):9-13.
by justiu
Q.E.D.
Q7如果我以光速運動會看到怎樣的景象呢？by 初中畢業啦
答：如果你能以光速運動，周圍的事物也都在以光速向你迎來。由於鐘慢效應，你看周圍的事物，會感到它們的時間被凍結。同時，在平行於運動方向上，由於尺縮效應，它們還會變得無限扁。因為這個平行運動方向上的尺度被無限收縮，所以以我貧瘠的想象力來看，這時你眼裏的宇宙大概會變成二維平面。但比較遺憾的是，在多普勒效應下，你身後的光線頻率會變成0，身前的光線頻率會變成無窮，這都超出了人眼的視覺感知範圍。
嗯，以上是根據狹義相對論想象出來的景象。但問題在於，狹義相對論還指出，除非你的質量為0，否則你只能無限接近光速而不可能達到光速。不過對於接近光速的高速運動，例如0.99倍光速的情況，事情會變得更有趣。
一個高速運動的自行車手會變成什麼樣？| 左圖：伽莫夫《物理世界奇遇記》右圖：兩顆熟李子@bilibili你可能會認為，世界大概就是變得扁了一些，就像上面的左圖。確實，大概愛因斯坦也是這麼想的。但1959年，Terrell指出，變扁的是“測量形象”，真正看到的“視覺形象”在變扁的同時還會帶點旋轉和扭曲，就像上面的右圖。
“測量形象”是被觀測物在觀測者參考系的同一時刻的位置構成的形象，而“視覺形象”還要考慮物體上各點發出的光到達觀測者的時間差，換句話説，真正看到的形象，是由被觀測物上各點發出同時到達觀測者眼睛的光線組成的。比如你現在看到的是8分鐘前的太陽，是8.6年前的天狼星。離你越遠的物體，你看到的形象在實際時間中就越往前推。所以在上圖中，你看到的自行車手的左腿會比他的右腿時間上滯後，頭也會比脖子更滯後。
這種時間差會讓有厚度的物體看起來變“長”。如果被測物是一個球或者立方體的話，測量形象的尺縮和光線同時到達的時間推遲導致的延長几乎能互相抵消。
立方體的Terrell轉動：如果達到光速，視覺形象會變成扭曲的二維平面 | Wikimedia Commons同樣的道理，靠近你的物體的“視覺形象”會變快，而遠離你的物體的“視覺形象”會變慢。
遊戲圖示：當我向左高速運動時，右側的光變暗且紅移，而左側的光變亮且藍移。其中，左側的紅光是紅外線被藍移進入可見紅光波段的結果。參考資料：
趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程·力學[M].北京:高等教育出版社,2004,383
!!Con 2018: Ray-tracing and special relativity
by 牧魚
Q.E.D.