鸽子靠磁场导航，其他动物会吗？| No.372

众所周知鸽子是一种靠磁场导航的动物除了鸽子外还有其他动物具有这种能力吗？

Q1

光具有波粒二象性，同时也沿直线传播，所以为什么两束手电筒对照不会形成粒子对撞机的效果？

by 匿名

答：
因为能量不够高。光子的能量只取决于光波的频率，手电筒的光大多落在可见光波段，即使按能量最高的380nm蓝紫光来算，一个光子的能量也才3.27eV。要想对撞出最轻的费米子——电子，光子的能量至少要达到0.51MeV，换算回波长就是2.43pm，落在γ射线波段。

by 牧羊

Q.E.D.

Q2

众所周知摩擦生热，那么在一个瓶子里边放上一点水，一直摇晃，水会不会烧开或者变热？

by crazy

答：
会变热，甚至有可能烧开，但瓶子要尽量绝热。摇晃瓶子增加水的动能，由于摩擦力存在，动能将逐渐减少并转化为水(或许也包括瓶子和空气)的内能，于是水的温度就升高了。但是水可以通过瓶子向外面的空气传热，也可以蒸发带走热量，摇晃给予水的能量很快就被空气带走了，人们难以观察到水的温度上升。

如果我们选择绝热的瓶子，用更大的功率摇晃或者搅拌瓶中的水，则可观察到温度升高。事实上，著名物理学家焦耳就曾做了类似的实验来测量热功当量。他在装水的瓶子里安装有桨叶，使一重物下降牵引绳子通过滑轮带动桨叶旋转，搅动瓶中的水，水受到搅动温度升高，测量水的温度升高量，可以计算出水升温所需的热，比较重物下落的功和水升温所需的热之间的关系，就得到了热功当量。

by 利有攸往

Q.E.D.

Q3

除了鸽子，还有哪些动物能利用地球磁场辨别方向？

by 匿名

答：
磁场感受能力在生物界不算太罕见。部分鸟类、海龟、鱼类和两栖类，都可以通过感受磁场的极性，以及磁场的倾斜角度，作为磁感罗盘的参考方向<1>，从而利用地球磁场辨别方向。除了鸽子，大家比较熟悉的海龟、鲸鱼、鼹鼠这些动物，也可以利用地球磁场进行导航。例如，海龟可以读取它们出生地周围的「地球磁场图」，并将这些「数据」牢记在大脑里，因此怀孕的海龟能够找到几十年前出生时的海滩来产卵。

遗憾的是，目前没有比较可靠的证据表明人类会有这种能力。不过有研究显示<2>，人身上是具有“磁性传感器”的，而且在正常工作时向大脑发送信号，但是，这种能力在绝大部分人身上要么非常微弱，要么藏在了潜意识深处。也许这就是人类潜意识中一种未知的“第六感”吧。

参考资料：

Mouritsen, H. Long-distance navigation and magnetoreception in migratory animals. Nature 558, 50–59 (2018).

Wang CX, Hilburn IA, Wu DA, et al. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from alpha-Band Activity in the Human Brain. eNeuro. 2019;6(2):ENEURO.0483-18.2019.

by Childe

Q.E.D.

Q4

从地球的北极一直到南极打通一个洞，从北极扔一个石头下去会怎么样？

7元船长

答：
会熔化。

从南极到北极的这条洞会通过地心，地心温度据估计可达6000℃；由于洞的存在，压强就是大气压。这样的条件下岩石以岩浆的形式存在。

如果忽略温度，只考虑引力导致的动力学，那么在北极自由释放的石头会在南极地表处速度刚好变成0，然后再掉回北极，往复简谐运动。把地球看作密度均匀、半径为R的正球体，当扔进去的石头离地心距离为r时，只有半径为r的球体对石头有引力作用。外面厚R-r的球壳对石头的引力会互相抵消，严格为零。所以合力正比于位置r，并且方向与r相反，是一个简谐力。

by 藏痴

Q.E.D.

Q5

为什么是相似相溶，而不是相似不相溶？相似相溶的原理是什么？

by 昆明第一中学熊亚亨

答：
两种物质A和B互溶的过程，本质上是构成A和B的微粒（分子，原子或离子）克服自身内聚力，相互之间形成键联的过程。以分子化合物为例，判断两种分子化合物A和B是否易于相溶，需要比较A-B分子之间的相互作用强度，是否与A-A分子之间以及B-B分子之间的相互作用强度相当。若A，B两种分子结构以及化学性质相似，则这一条件通常得到满足，两种物质也就易于相溶。

例如，甲醇分子和水分子都是极性分子，且都具有携带孤电子对的氧，相互之间能够形成氢键，因此相互作用强度：甲醇分子-水分子≈甲醇分子-甲醇分子≈水分子-水分子，两者也就能够以任意比例互溶。与此相对的，乙烷分子和甲醇分子具有相同的分子量，但其为非极性分子，乙烷分子间的相互作用是色散力，乙烷分子-水分子间的相互作用是色散力和诱导力，相互作用强度：乙烷分子-乙烷分子乙烷分子-水分子水分子-水分子。当乙烷分子向水中扩散时，其与水分子的相互作用，不足以破坏水分子间的键联，因此乙烷仅能微溶于水。

by 乐在心中

Q.E.D.

Q6

痒的本质是什么？为什么挠完之后就不痒了？

by h

答：
我们感受到的痒是通过神经元感知的，作为身体屏障的皮肤不断受到细菌、病毒、化学物质和其他刺激物的侵袭，皮肤上有一组独特瘙痒感受器神经元，这些瘙痒感受器神经元在许多方面与遍布身体的其他感知疼痛、气味和其他感官的神经元相似，能够检测到这些刺激。

细胞在遇到刺激物后释放的化学信号，会引起后续的血管扩张、炎症信号等，让更多的免疫细胞进入皮肤表层，从而产生瘙痒肿胀等不适，之后通过神经元向大脑发送刺激警报。

抓挠就属于一种外界刺激类的神经调节机制，神经调节机制可暂时抑制瘙痒。但挠痒解决不了根本问题，不仅会留下抓痕，甚至引起感染。所以皮肤瘙痒需要寻找病因，避免诱发因素是防治皮肤瘙痒的关键。

参考资料：

Life as We Know Itch: How our body creates this irritating sensation - Science in the News (harvard.edu)

“痒”是怎么来的？为什么挠一挠就不痒了？

Pereira PJ, Lerner EA. Interneurons scratch an itch. Neuron. 2014 May;82(3):503-505.

by 扫地僧

Q.E.D.

Q7

之前看到一个视频，根据人耳所能听到的声波频率范围确定人“听力年龄”，这种测试科学吗？

by 路痴酱

答：
以下内容不构成医学建议，如有不适，请及时就医。

需要明确的一点是，“听力年龄”这个说法并没有医学上的定义。尽管人的听力水平确实会随着年龄增长而衰退，导致人耳能听到的声音的最高频率下降，但衰退速度受日常用耳习惯、日常环境噪声、遗传等多方面因素影响，是因人而异的。目前并没有足够多数据样本能明确告诉我们，诸如30岁的人能听到的平均最高频率的声音是多少赫兹这种信息。因而这种视频的判断标准的合理性就值得怀疑。这种视频似乎是根据医院使用的“纯音听阈测试”（或称“纯音测试”）简化得来的。纯音测试是通过测试患者是否能听到不同频率、不同响度的声音，检查患者是否有听力损伤的一种测试手段。需要注意的是，纯音测试是严谨的医学检测手段，但你看到的测试“听力年龄”的视频可不是，这种视频主要有三方面的问题。

第一点，就是硬件设施的限制。笔者观看了几个测试视频，最高声音频率大多都在20kHz，但有些手机/耳机/喇叭能播放的声音频率小于20kHz。第二点，就是视频所提供的音频，即使原始文件是正确的，在上传到视频网站过程中，视频会被压缩，音频会丢失高频音。第三点，就是测试环境问题。一般的纯音测试需要在隔音间进行，保证环境噪声低于30dB，而日常即使是安静的室内，噪音也很难低于30dB。缺乏专业的设备，音频本身存在问题，测试结果的不准确性也就显而易见了。

还需补充一点，哪怕是医院使用的纯音测试，测试结果也受患者主观因素影响，即没听到声音却觉得自己听到了，或者听到了声音但没能理解测试的含义所以导致测试结果出错等等。需要专业人员现场引导。所以，网上测试听力年龄的视频，其娱乐性远远大于科学性。20岁年轻人测出40岁听力年龄也很正常，不必因为测试结果不好而有什么担忧。

by 冬眠爱好者

Q.E.D.

Q8

为什么各个物理单位彼此间的关系大部分都是便于计算的数字？这是大自然的巧合吗？

by 匿名

答：
这些常量真的很“便于计算”吗？

光速c＝299792458m/s

真空介电常数ε₀≈8.854187×10⁻¹²F/m

玻耳兹曼常数

类似的不便于计算的常量还有很多。但是题干的感觉并不完全是错觉，而是科学家通过使用合适的单位制，在构建物理大厦的过程中确实消去了相当多物理定律中常数的数值。著名的如中学课本中牛顿定律F＝kma的k＝1，这其实算是力的定义式。这些常量之所以可以“隐身”，一方面是因为物理大厦初建，可以十分轻易地避开矛盾与冲突；另一方面比例系数也确实不包含特别关键的物理信息。等物理学大厦的地基搭好，强如牛顿也没办法把引力定律中的比例系数设成1而与其他公式自洽；而那些真正包含物理信息的数字，比如平方反比律中的指数2（或者说-2），则一点都不能马虎。

我们在高中及之前学习的物理，很大程度上都是为大厦打地基的内容，确实有很多公式简洁优美。这些优美的内容或许可以给学生以不切实际的梦幻。不过，如果想见识不简洁的公式，欢迎在大学选择物理系然后读个理论物理博士出来（bushi）。

by 井筠

Q.E.D.

Q9

为什么自行车在静止时不好保持平衡，而动起来就很容易保持平衡，这两种情况轮胎和地面的接触面积不是一样的吗？

by zzz

答：
陀螺不转的时候很容易倒，陀螺转起来后就不容易倒了。自行车也同理……吗？

这个问题其实也困扰了科学家很久<1>。之前大家认为，自行车车轮旋转起来后获得了一个角动量，这个角动量在重力矩的作用下，会把倾倒转换为进动，所以能依然保持平衡。

但这并不完全正确。1970年Jones做了一种自行车，它的轮子由两个分轮组成，两个轮子转动方向相反，这完全抵消了角动量，可这辆自行车依然能在运动中保持平衡。

其实，自行车保持平衡的秘诀在于，把倾倒变成了转向。这一点可以通过车轮的进动做到，也可以通过直接转方向把做到，想想看你在自行车快要倒下时是不是会把一把方向把？

把倾倒变为转向后，轮胎与地面的接触面会重新移回到整体重心的下方，这样就再次保持了平衡。如果你拼死不转方向把，那倾倒就很难转换成转向，就像下面这样。

有人用方向把锁死的自行车做了实体测试<3>，结果和这张图一样。

所以为了保持平衡，我们需要不停地控制方向把微调姿态。反过来，在需要转向的时候，我们除了转动方向把之外，还会使得身体和自行车倾斜一个稳定的角度，因为地面施加给我们的转向力对我们有一个力矩，为了平衡这个力矩我们需要主动产生一个反向的重力矩。

有意思的是，在停止转向的时候我们并不是直接把方向盘转正，而是先稍微加大一点方向盘的转向程度。因为停止转向需要我们的身体也停止倾斜，这要求轮胎与地面的接触面尽快回到重心下方，而加大转向程度可以增大地面给我们的转向力，从而使身体回归竖直。

by 牧羊

Q.E.D.