开了一个夏天的电风扇

和陪你驰骋电子竞技场的电脑风扇

为什么它们向外吹风的同时

却给自己吸上那么多灰呢？

Q1

为什么风可以吹灭火，又可以让火燃得更旺？

by 瑶瑶不要摇

答：

风吹灭火？因为温度；风吹旺火？因为气流。具体我们一个个来讨论。

首先我们来谈一下什么是燃烧？广义上讲，发光发热的氧化还原反应都属于燃烧。燃烧需要三种要素并存才能发生，分别是：可燃物（如燃料）、助燃物（如氧气）以及温度要达到燃点。助燃物是燃烧反应中的氧化剂，氧气是燃烧反应中最常见的助燃物，但其他化合物也可能是助燃物，例如镁带可以在二氧化碳中燃烧，此时二氧化碳即为助燃物。

那风又是干嘛的呢？风是空气或其他气体相对于行星表面的自然运动。风在带来氧气的同时也带走了一定的热量。

于是乎，第一种情况：风怎么灭火？

所有灭火方式的基本原理其实就是破坏“火三角”中至少一个条件。其中一个主要方法是降低温度使其低于着火点。当有风经过时，能加快周围的空气流动速度，并带走一部分热量，使可燃物表面温度下降到低于着火点的温度，燃烧便无法继续，风速越大，降温作用越明显，灭火效果越好。另外值得一提的是，消防常使用的风力灭火机有些是利用阻隔周围氧气，破坏助燃物这个条件来实现灭火的（灭火机内汽油燃烧产生的二氧化碳吹向可燃物）。

第二种情况：风怎么助火？

风能带来更多的氧气，并通过带动气体流动使可燃物与氧气充分接触，从而助长火势。虽然你会说是不是也有降温作用呀，确实，但只要能保证温度不低于着火点，燃烧就能继续。比如灶台抽风机，由于风箱产生的风是往炉灶里吹的,热量损失不大，温度足够达到着火点的同时带来氧气使燃烧更旺盛。

归根结底，风灭火还是助火主要取决于其净效应：如果温度没有降到着火点以下并带来更多氧气，则表现为助燃；如果有足够的降温到低于着火点的程度，那么即使氧气再充足燃烧也无法继续。

参考资料：

[1] What is fire?

by 十七

Q.E.D.

Q2

为什么湿衣服看起来颜色更深？

by Whisky（一名高中牲）

答：

物体在光线的照射下呈现不同的颜色，是因为物体具有对落在其表面的光谱成分有选择地透射，吸收和反射的结果。颜色深浅在视觉上的反映可以用明度来描述，物体对光的反射率越高，明度越大，视觉感官上颜色越浅。

衣服干燥时其表面由无数根纤维组成，当光入射时可以理解为在衣服表面发生了漫反射，因为有很多角度可以反射，所以进入人眼的光通量较大。当衣服变湿时，水分子包覆纤维填充间隙，这时大致可看作一个个镜面反射，从许多角度看光线进入我们眼睛的较少，另外也可能被水折射发生全内反射被水吸收，最终光通量变小所以颜色变深。

参考资料：

[1] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M]. 北京：机械工业出版社，2016：64-89.

by 深浅

Q.E.D.

Q3

电脑散热风扇明明不停地转着，为什么没有把灰尘甩下去反而越积越多？

答：

是因为静电。风扇叶片运行时会与空气产生摩擦，使其带电，而这就足以吸引捕获微小的灰尘颗粒。

具体来说，静电是电荷在物质中不平衡分布产生的现象，使物体带上电荷叫做起电，两种不同物质相互摩擦时，电子在物体之间发生转移，是摩擦起电的实质。而带电物体往往具有吸引轻小物体的性质。灰尘通常由大气中的悬浮微粒组成，灰尘的 *** 体会形成尘兔（Dust bunny）,主要由毛发、灰尘等一些体积较小的垃圾或碎屑所组成，它们会因为静电而形成类似毛毡的结构。两者相互作用吸附就会造成风扇片积聚越来越多灰尘了。

当然，风扇口积聚灰尘确实有不好的影响，它会减慢叶片旋转并降低冷却器的性能，还可能导致堵塞过热或者受潮腐蚀现象的发生，另外由于灰尘带电，甚至可能会影响内部电路从而带来更坏的结果。

那么，我们应该如何处理呢？比较省事的一个方法可以是使用防静电喷雾，或者加装一个过滤网（通常由聚酯或者金属制成）来干扰静电荷积聚以及灰尘进入。当然如果您想追求极好的使用体验不至于最后到达下面这个地步，建议定期清理风扇口。

参考资料：

[1] 赵凯华，陈熙谋. 新概念物理教程.电磁学第二版. 北京: 高等教育出版社. 2006年12月

[2] Dust.Merriam-Webster

[3] Keeping Dust Out of Your Computer

by 十七

Q.E.D.

Q4

为什么太阳能板是蓝色的？

by 铯原子钟

答：

主要是受太阳能板的材料影响。

太阳能板将太阳辐射能转换为电能，靠的是半导体的光生伏特效应。当用适当波长的光照射非均匀半导体（pn结）时，光子将激发出电子空穴对。由于非均匀半导体势垒区内存在着较强的内建场，光生载流子在场的作用下分别向pn结的两端移动，在pn结的两端形成了光生电动势，这就是半导体的光生伏特效应。

工业界中最常用来做太阳能板的半导体材料是晶体硅材料，包括单晶硅和多晶硅。单晶硅颜色为蓝黑色，其光电转换效率较高，但成本较高。而多晶硅颜色为蓝色，光电转换效率较单晶硅略低，但成本较为低廉。日常生活中见到的大多为低成本的多晶硅太阳能板，因此多为蓝色。

单晶硅和多晶硅太阳能板 | 图片来源网络

参考资料：

[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学[M]. 北京：电子工业出版社，2017：290.

by chen

Q.E.D.

Q5

长期不吃早餐真的会得胃病吗？

by 匿名

答：

本回答不包含任何医疗建议

感觉提问者可能并不了解自己提问的问题有多么深奥

不吃早餐（breakfast skipping，BC）对人体的影响在医学界或者是营养学界一直都是一个存在争议的话题。

很多研究认为不吃早餐对人体有如下危害：

首先是低血糖，不吃早餐，上午的血糖水平降低，会导致学习、工作状态变差，注意力不集中。[1]

其次是肥胖，很多人想通过不吃早餐的方法来减肥，但有研究发现，不吃早餐会造成午餐或晚餐时有更强的饥饿感，所以后面会吃得更多。所以反而会更加肥胖。[2]

一些疾病可能也与不吃早餐有关，首先是糖尿病，研究发现不吃早餐的人群中，男性二型糖尿病获病风险增加21%，女性增加28%[3]。二是心血管疾病，多项研究表明不吃早餐会增加患冠心病等心血管疾病的风险[3]，OR值显著高于1。三是痛经，一项日本的研究表明不吃早餐的女大学生中痛经的等级明显高于每天吃早餐的群体[3]。最后还有精神疾病，研究表明不吃早餐遭受精神困扰的风险显著提升，且男性的风险增加显著高于女性。

不吃早餐可能也会影响认知能力，有研究认为，早餐能提升人的饱腹感，改善人的心情，提高认知功能，不过也有研究表明不吃早餐与认知功能没有联系。[3]

最后还有抵抗力，不吃早餐或早餐营养不良会引起机体代谢紊乱，造成抵抗力下降[1]。

至于胃肠方面的问题，有说法是不吃早餐会影响消化系统消化液的分泌，但我并没有查到特别有力的证据支撑，因此不吃早餐对胃肠功能的影响我也不敢下结论，不过肯定的是，不吃早餐肯定不会对胃肠功能有什么好处，如果大家有比较了解的，欢迎评论区补充。

不过还需要说明一点，有关不吃早餐的影响目前还是存在争议，例如，也有很多研究认为不吃早餐与肥胖没有必然联系[4,5]。

总的来看，不吃早餐可能不是什么好事，而吃早餐至少没什么坏处，所以如果条件允许的话，还是建议大家按时吃早餐。

一份合理的早餐提供的能量应占一天总能量的25%-30%，应含有谷类、肉/蛋类、奶类/豆类、蔬菜/水果等四类食物。时间上看，早餐应该在起床后两小时内食用，一般不晚于上午10点。

参考资料：

[1] 唐振闯. 早餐质量对青年脑力劳动者短期认知能力影响的研究[D].中国疾病预防控制中心,2016.

[2] Edyta Suliga, in Nutrition in the Prevention and Treatment of Abdominal Obesity, 2014

[3] 王佳佳,郭静,许红霞.早餐:吃还是不吃?[J].肿瘤代谢与营养电子杂志,2015,2(01):54-60.DOI:10.16689/j.cnki.cn11-9349/r.2015.01.002.

[4] Javier T. Gonzalez PhD, in Practical Guide to Obesity Medicine, 2018

[5] Bonnet JP, Cardel MI, Cellini J, Hu FB, Guasch-Ferré M. Breakfast Skipping, Body Composition, and Cardiometabolic Risk: A Systematic Review and Meta-Analysis of Randomized Trials. Obesity (Silver Spring). 2020 Jun;28(6):1098-1109. doi: 10.1002/oby.22791. Epub 2020 Apr 18. PMID: 32304359; PMCID: PMC7304383.

by 霜白

Q.E.D.

Q6

量子隧穿效应的原理是什么？

by 匿名

答：

量子隧穿效应，指的是当波函数传播过程中遇到一个有限高势垒的时候，仍有一部分概率穿过该势垒而继续向前传播的现象，其已经被大量的实验事实所证实。

可以把有限高的势垒想象成一面墙，而经典粒子想象为一个小球，相信现实中没有哪个人发现过把球扔向墙壁后，其不是反弹回来而是直接穿墙而过。但在量子力学的世界中，微观粒子由波函数描述，而波的传播过程中遇到障碍物会发生反射与透射，例如阳光洒满房间的过程，就是一部分阳光透过玻璃透射(tran *** itted)入房间，而另一部分反射(reflected)无法进入房间。

太阳光的透射与反射 | 图源：

Light tran *** ittance clipart 20 free Cliparts

在这里，玻璃对于太阳光就可以视为一个势垒，而太阳光透过玻璃也无疑会在一定程度上有所损耗和衰减。

类似地，由于在微观世界，粒子由波函数描述，一束波函数在传播过程中，如果遇到了一个势垒，其也会发生反射和透射，透射波的存在使得人们可以在一堵墙后有机会观测到该粒子，从而体现出量子力学独有的量子隧穿效应。

电话微波炉（暂定） | 图源：

萌娘百科 万物皆可萌的百科全书

当然如果你跟我问什么电话微波炉怎么做到量子隧穿的话，那我只能回答你EL PSY CONGROO了(真由氏炸鸡No.1)

by Callo

Q.E.D.

Q7

玻色爱因斯坦凝聚态为什么可以减慢光速？如何制取玻色爱因斯坦凝聚态物质？

答：

刚好最近在看超流，来浅答一下。

1924年爱因斯坦提出了全同玻色理想气体的玻色爱因斯坦凝聚态。在温度接近绝对零度时，几乎所有的玻色子都会聚集到能量最低的占据态，在动量空间发生凝聚，是为玻色爱因斯坦凝聚态。

玻色爱因斯坦凝聚态有很多有意思的性质，比如问题中提到的减慢光速。减慢光速的机理如果详细来说十分复杂，因此这里提供一个唯象的模型。我们知道，光在介质中的速度取决于折射率n，而n又在很大程度上取决于与介质极化强度有关的介电常数ε。一般来说，更强的介质极化强度代表着光和介质内部体系的相互作用更强，相应地就减缓了光速。我们知道，光子的动量可以表达为

而原子的动量为:

(温度单位默认为K)。可以看出，在室温下，原子的动量约为光子动量的1000倍，因此光和正常原子的相互作用较弱。但在μK的温度量级下，玻色爱因斯坦凝聚态原子的动量和光子动量是可以相比拟的，因此光和玻色爱因斯坦凝聚态的相互作用较强，可以用来减缓光速，进行一些光量子信息存储方面的研究。

至于如何制取BE凝聚态物质，也就是如何将玻色气体降低到μK的温度，物理上常用的方法是激光冷却原子。当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相对传播的一对激光束中运动时，由于多谱勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对相同方向的光子吸收几率较小；吸收后的光子将各向同性地自发辐射。平均看来, 两束激光的净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼，从而使原子的运动冷却下来，得到温度在μK量级的玻色爱因斯坦凝聚态。

参考资料：

[1]《极端条件下原子系统的宏观量子效应：玻色—爱因斯坦凝聚》，孙昌璞

by chen

Q.E.D.

Q8

数的分类一共有几种？

by 匿名

答：

在数学上有很多称作“某某数”的名词，但是它们的关系往往不是对“数”的完整划分，而是相互包含的。对于非数学专业，一般可以接触的最大数域是“复数域”，其包含的数可见下图。

图1 复数域包含的各种数

这里的每一个名词都是有清晰定义的，在此不逐一赘述。此外还有时将“正某数”与0合称“非负某数”的习惯（如非负实数），“非正某数”同理。数学上还有一些特殊的数集，因具有很特别的性质而单独被命名，但他们一般都包含在上面的某一个数集之中，例如：

（1）完全数：恰好等于其所有真因子之和的数，如6=1+2+3；

（2）三角形数：等于前n个正整数之和的数（n取任意正整数）；

（3）正方形数：等于某个正整数的平方的数，又称平方数。

此外还有黄金分割数、斐波那契数等。甚至还有更特别的单个数字被命名，如圆周率π、自然对数的底数e等。

图2 “强行”黄金分割的猫（非教学用图）

值得注意的是，上面提到了两个词：数集和数域。这可不是两个很随意的称呼，而是两扇大门，分别连接着“ *** 论”与“代数系统”这两个数学科学的重要领域。在这里，我们简单地从这两个全新的角度来看一看我们常说的“数”。

*** 指的是0个、有限个（含0个）甚至无限个具体或抽象的对象构成的整体，分别称为空集、有限集（包含空集）和无限集。 *** 中的对象称为该 *** 的元素。我们可以将任何具有类似性质的数字组成 *** ，这样便有了我们常说的复数集（合）、有理数集、整数集等概念。换句话说，图1中的任何一个名词都可以定义对应的 *** 。

图3 “某某的三大爱好”组成的 ***

但是“域”这个字是一种有严格定义的代数系统。代数系统在定义时需要两个要素：（1）一个非空的 *** ，比如整数集（Z）、有理数集（Q）、实数集（R）；（2）一个或多个定义在该 *** 上的一元或二元运算。简单理解，一元运算就是将该 *** 中的某个元素向另一个元素映射，比如“取相反数”“取倒数”的操作；而二元运算就是将该 *** 中的某两个元素（可相同）组成的元素对向另一个元素映射，如“加减乘除”“取余数”等。有了非空 *** 和对应的运算，就定义了一个代数系统（简称代数），如<R，+，·>代表实数 *** 以及简单加法和乘法构成的代数系统。

图4 定义在 *** S上的一元/二元运算示意

然而，某个确定的代数系统，运算对该非空 *** 可能具有或者不具有以下的特殊性质：

（1）封闭性：对任何 *** 内的元素运算后仍映射到 *** 内的元素；

（2）可交换：满足交换律；

（3）可结合：满足结合律；

（4）具有单位元：存在某元素e与任何元素a运算都映射到a；

（5）具有零元：存在元素e与任何元素a运算都映射到e；

（6）具有逆元：一对进行运算后映射到单位元的元素互为逆元，如互为相反数的数对于加法。

图5 一些常见运算的单位元、零元、逆元举例

如果某个代数系统 <G，*>，其二元运算*对 *** 满足封闭性、结合性、存在单位元、任何元素存在逆元这四个条件，该代数系统就称为群。我们常说的群论就是关于群的表示理论。而域要求其 *** 上有两种二元运算，分别满足很苛刻的条件，这也是我们常见的整数域、实数域等对于加法、乘法有那么多运算定律的来由。

图6 现代群论的创始人阿贝尔和伽罗瓦

以群、环、域等为代表的代数系统理论被称为“近世代数”（modern algebra）或“抽象代数”，广泛应用在物理、化学、统计、计算机、信息等领域。其中最著名的群论更是量子力学、核物理、晶体学等诸多物理前沿领域不可或缺的数学工具。

参考资料：

[1]耿素云、屈婉玲、张立昂，离散数学（第五版），清华大学出版社, 2013.

by 云开叶落

Q.E.D.

#本期答题团队

十七、深浅、chen、霜白、Callo、云开叶落编辑：牧羊