为什么划黑板的声音这么动人心弦？No。338

　　什么音乐百听不厌但噪音避之不及？划黑板的声音为什么会变成声之刑呢？ Q1
　　答：
　　物理学四大神兽是芝诺龟，拉普拉斯兽，麦克斯韦妖，薛定谔的猫。它们不是真实存在的动物，而是科学家们假想出来用于佐证科学理论的思想实验。篇幅有限简要介绍
　　芝诺龟（Zeno＂s paradox）是一个悖论：假定人的速度是龟的10倍，现在让人去追100米远的龟，人到达龟的起点时龟已经向前走了10米，人再追10米龟也前进1米，还是在人的前面。如此无限循环下去，龟永远不会被人追上，但在现实中这是不可能的，这就是著名的芝诺悖论。但现在我们知道，无穷个数相加不一定等于无穷。芝诺悖论里的这个无穷数列是收敛的，芝诺的乌龟并非永远追不上。
　　拉普拉斯兽（Démon de Laplace）也叫拉普拉斯妖，它知道宇宙中每个原子确切的位置和动量。拉普拉斯相信决定论，他认为掌握了这些信息就能计算出整个宇宙的过去和未来，但热力学第二定律和不确定性原理告诉我们，这样的恶魔是不可能存在的。
　　麦克斯韦妖（Maxwell＂s demon）是麦克斯韦假想的，能探测并控制单个分子的运动的妖。如果一个绝热容器被分成相等的两格，中间的麦克斯韦妖只允许冷原子通过，就可以0消耗在两侧制造出温差并对外做功，从而突破热力学第二定律制造出永动机。但实际上，就算麦克斯韦妖真的存在，它处理信息的这个过程也是热力学不可逆的，必然伴随着更高的熵增，仍然无法突破热力学第二定律，也不可能造出永动机。
　　关于薛定谔的猫（Schrödinger’s Cat）的讨论至今还在继续，在四大里的知名度也是最高。它本是薛定谔为质疑量子力学所制造的武器：量子力学认为，微观粒子可以处于叠加态，但如果把猫和放射性原子放在黑箱里，且原子衰变会导致猫死亡，原子处于衰变和未衰变的叠加态就会导致猫也处于既活又死的叠加态。这一实验将微观的量子态映射到宏观的猫，非常巧妙。
　　最后，四大神兽这个名号怎么成名的这个问题，目前并没有统一的答案。虽然除了薛定谔的猫外都已经被证伪，但这四个思想实验推动了科学的发展，在科学史上有重要意义。
　　by 黄水机Q.E.D. Q2
　　by Y.答：
　　因为：(1)金的延展性好，容易制成很薄很薄的箔状物，厚度可以达到几个原子的量级；(2)金的原子核较重，携带的正电荷更多，对于直接撞上的α粒子散射角更大，实验效果更明显；(3)金核不会与α粒子（氦核）发生核反应。综合这三点，金箔是α散射实验的首选材料。
　　其他材料当然也行，当时做实验的盖革就试过过金、锡、银、铜和铝五种材料，结果当然是金的散射效果更显著。当然，理论上用铅可以达到更好的效果，但当时的工艺条件并不允许把铅箔做得很薄。
　　参考资料：
　　[1]Geiger H . The Scattering of the alpha Particles by Matter[J]. Proceedings of the Royal Society A, 1910, 83(565):492-504.
　　[2]阿尔法粒子散射实验为什么只能用金箔或银箔，不能用其他的呢？
　　by 牧羊Q.E.D. Q3
　　by lim_universe答：
　　目前主要有以下几种可能的研究假设：
　　首先解释一下人耳听到声音做出反应的机制：我们的大脑里有一个被叫做网状结构（reticular formation）的部分，它位于脑干，由100多个小型神经网络组成，具有多种功能，大脑解释声音的方式就可以通过此结构来进行调节转换。当我们听到刮黑板这种声音的时候，会触发一个叫做战斗或逃跑反应（fight-or-flight response）的身体自卫机制，主要使杏仁核部位高度活跃，而杏仁核主宰着人们的负面情绪释放，外部表现会是瞳孔放大、心肺加速等等，同时使我们容易产生焦虑和攻击性等情绪反应。值得一提的是，这种声音（类似于木板或者盘子上的刮擦声）引起的不愉快情绪反应在西班牙语中被称作为＂grima＂。
　　另一方面，我们都知道人耳能感受到的振动频率范围约为20-20000Hz，而随着年龄的增长，听觉上限会逐渐降低，在此范围内，根据等响曲线（Equal-loudness contour）理论，人耳又对在大约2-4 kHz之间的声音最敏感，这主要是由于耳道的结构会导致此频率范围的声音会被放大，从而引发人耳疼痛。
　　还有一种说法是，人类对这种可怕声音的反应（还有比如小孩子的尖叫哭声）与史前时代灵长类动物接收到警告声的反应类似，属于是残留反射的一种。有人还因此研究勇夺了搞笑诺贝尔奖。
　　当然，以上可以算是抛砖引玉。看完了以上讨论之后现在想请大家思考一下：听到了刮黑板声音的聋子也会一样难受嘛？
　　参考资料：
　　[1]Grima: A Distinct Emotion Concept? - Frontiers
　　[2]Christoph Reuter; Michael Oehler (2011). ＂Psychoacoustics of chalkboard squeaking＂. Journal of the Acoustical Society of America. 130 (4): 2545.
　　[3]Fingernails on a Chalkboard Garner Psychologist Ig Nobel Prize
　　by 十七Q.E.D. Q4
　　by Gemma答：
　　开局元素周期表镇楼。
　　这可以用核外电子排布来解释。
　　我们知道，描述原子中的电子需要四个量子数：主量子数n、角量子数l、磁量子数和自旋磁量子数，其中与能量有关的是前两个。与主量子数关联的是电子层数，层数越低能量越低，因此电子倾向于先填充较低的电子层。与角量子数关联的是s、p、d、f等壳层。s壳层有1条轨道，p壳层有3条，d壳层有5条……每条轨道最多填充两个电子。
　　按照电子填充的顺序，主族元素有这样的规律：第几周期就是有几层电子，第几主族就是最外层有几个电子。也就是说，对于第n周期的主族元素，最外层电子就是按照ns--np的顺序填充。前三周期只有主族元素，依次的填充顺序也就是1s——2s——2p——3s——3p。但是到了第四周期，3d电子还没来得及填充，但是4s的能量要比3d的能量更低，因此首先填充了4s（也就是钾和钙元素）。由于4p的能量又比3d更高，所以接下来填充3d轨道——注意，这时新填充的电子并不在最外层！从钪到锌，它们的最外层都是两个4s电子，区别则是第三层填充的3d电子数目不同。因此把它们放在了副族。下面几个周期的情况类似。副族元素都是新填充的电子不在最外层。
　　by 藏痴Q.E.D. Q5
　　by 深海遗梦答：
　　按照原著的设定，它是一种可以实时远程操控的智能粒子。制作过程大致是，将现实中存在的质子（一种微观粒子）做二维展开后，在上头刻蚀电路，写入程序，再重新回到三维。
　　从＂二维展开＂这一步起，就已经超出目前人类科学能解释的范畴了。＂实时远程操控＂更是突破了相对论对信息传输的限制。这里强调一下，目前的量子通讯是不能做到超光速传输信息的。当然，要想实现超光速，理论上可以构建一个三维空间中的虫洞（爱因斯坦-罗森桥），这相当于在更高维度给三维空间开一条捷径，让信息通过捷径传输，从而突破光速限制。
　　不过落到实处，智子的原型——质子还是有很多有趣的故事的，这其中就包含了人类对微观世界的波澜曲折的探究史。1897年，汤姆逊从阴极射线中发现质量极其微小的电子，由此揭开了人们对基本粒子的研究。1908年到1913年，卢瑟福用α粒子散射实验证实了原子的正电部分是一个在空间中只占极小部分的原子核。1918年，卢瑟福用α粒子轰击氮气，发现产生了氢原子核。这使卢瑟福意识到氮原子核中有氢原子核的成分，氢原子核是一个更基本的粒子，于是他将其命名为＂proton＂，取自希腊单词＂πρῶτον＂，意思是＂第一＂。
　　这仅仅是人们对质子研究的开始。1932年，查德威克发现中子n。1950年，安德森小组发现Λ粒子。之后人们发现了又一堆性质很相似的粒子，并将它们归类成重子八重态，另外还有重子十重态。
　　这18个重子为什么会有这样的规律？这种类似元素周期表的排布是否暗含了更深层次的结构？答案是肯定的。1964年，盖尔曼和茨威格将这些重子拆成由三个夸克组成的粒子，完美解释了八重态和十重态的存在。
　　至此我们可以肯定地说，质子是由三个夸克组成的，分别是两个上夸克和一个下夸克。但对质子的研究还远没有结束，它会衰变成更轻的粒子吗？为什么用兰姆位移的光谱学方法测得的质子半径，和用散射实验测得的质子半径会有显著差异？我想，在人类造出智子前，还是得先好好搞清楚质子才行。
　　by 牧羊Q.E.D. Q6
　　by 爱因斯坦答：
　　本题默认是在真空中，这是一个典型的相对论问题。在讨论接近光速运动的物体时，我们所依据的是光速不变原理：真空中的光速对任何观察者来说都是相同的，与光源的运动无关，因此结论往往是反常识的。所以，根据光速不变原理可以直接得出：一束光相对于另一束光的速度仍然是真空光速。
　　为了更清楚地讨论这个问题，我们建立三个参考系：静止的观察者S，沿x轴正方向以光速c前进的光S＂和沿x轴负方向前进的S＂＂。在S系里，我们观察到S＂的速度为c，而S＂＂的速度为-c（符号只表示方向）。接下来我们用洛伦兹变换把S＂＂的速度变换到S＂系里：
　　计算结果告诉我们，S＂＂相对于S＂的速度还是光速c。当然，这还是很反常识。相对论要求一切物理定律在每个惯性系中得到相同的结果，这就必然导致不同参考系中的同一物理量（比如时间流速）是不同的。我们的常识往往被牛顿的时空观所束缚，想当然地认为时空是绝对的，认为速度可以简单地线性相加，认为力的传递是瞬时的，但这些都是不符合科学的。
　　最后的最后，这问题真的是爱因斯坦问的吗？^_^
　　by 黄水机Q.E.D. Q7
　　答：
　　你可能会觉得棍子能瞬间把一端的推力传递过去。但事实上，这个推力在组成棍子的原子间是这样逐个传递过去的。
　　推力的本质是电磁力，而电磁相互作用是受制于光速限制的。上一层原子位移发生所改变的电磁场，要以光速才能传播到下一层原子。而且，固体中这种振动的传播速度很大程度上取决于原子间的紧密程度，这可以用弹性模量和密度来表示。说得更直白点，这其实就是声音的传播模型，可以套用声速的公式
　　来描述，其中  是弹性模量或者压强，  是密度，右下标的s表示对绝热等熵过程求偏导。
　　对于一根铁制棍子，声音的传播速度大概是5km/s。那么推一下一光年长的铁棍，另一端大概要6万年才能感觉到。
　　by 牧羊Q.E.D. Q8
　　by 弘毅答：
　　物理学的尽头不一定是哲学，但物理学家的尽头却可以是哲学（神学）家
　　例如，著名的艾萨克·牛顿，其最重要的力学和运动学定律却是在一本名字里连物理都没有的书《自然哲学的数学原理》里面提出的，偏偏这个书名反而既包含哲学，又包含数学。而牛顿老先生所就读的剑桥大学三一学院，从其名称中所含的＂三一＂(Trinity)就可以发现其与神学的千丝万缕的联系，而这也就不难令人信服据考牛顿一生在神学方面也颇有造诣的事实了。
　　再来看一位伟大的物理学家，爱因斯坦，收录其思想成果的《爱因斯坦文集》中，充斥着大量的哲学讨论与哲学思想。可见，对于大神来说，研究物理的同时顺便兼职一个哲学家，好像也没什么困难的
　　至于物理学的尽头究竟是啥，或许就像某著名微电影《星空日记》 (豆瓣)里面老教授所说，＂To Infinity and Beyond＂科学的征途是星辰大海，所以小编也信口胡诌两句：＂或许还为时尚早＂
　　by CalloQ.E.D. Q9
　　by 静*露²答：
　　每个提问我们都会看的，从2016年问答专栏开始起，截至写稿日我们已经收到61482条提问了。鉴于我们的答题精力有限，不可能把所有读者的提问都顾及到，所以还请理解。
　　在这里也抖抖咱问答团队的工作流程。一般每周我们会收到一两百条读者提问，但是：
　　1.有相当一部分提问是ill-defined的，无法定义成一个清晰明确的问题。比如＂为什么总觉得橘子和柚子那么像＂，这种问题因人而异。又比如＂斥力究竟是一种什么力？有公式可以描述斥力与某种物理量之间的关系吗？＂，这种问题过于宽泛，很难定位到是同种电荷的斥力还是同名磁极的斥力，所以也不好做出准确回答。
　　2.还有一部分把我们当成树洞提问，诸如＂为啥我晚上睡不着觉，白天听老师讲课就困？＂这样富有深度的提问，我只能直呼我也想知道。
　　3.此外有部分问题我们其实已经回答过了，比如＂为什么两个影子接近时会变形吸附过去＂，我们在一个月前的No.332Q3就答过了。读者们可以善用公众号的搜索功能。
　　这样筛下来，每周我们会形成大概三十多道题的题库，然后交给编辑部里各位喜爱头脑风暴的同学认领。一般我们会保证每期答八道题，每个回答也力求在科学准确和通俗易懂间找到平衡。有时，读者们对某个问题的留言补充也会给我们一些额外的收获。所以，每条提问和留言我们都有专人查收哒。
　　by 牧羊Q.E.D.
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　　黄水机、牧羊、十七、藏痴、Callo
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　　编辑：牧羊
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