如果宇宙充满空气，这会意味着它是有限的吗？ | No. 483

如果宇宙不是真空，

而是充满空气，会怎样？

难道说！

这样的宇宙是有限的？

问答导航 Q1 为什么蚂蚁要把食物往洞里搬而不是在外面吃？ Q2 为什么用眼镜布擦眼镜污物就会到眼镜布上？ Q3 为什么解剖植物手会抖？怎么改善呢？ Q4 健身消耗的能量去了哪里？ Q5 “场”是一种物质吗？为什么是真实存在的呢？能量是如何通过“场”进行传递的？ Q6 呼吸究竟受不受意识支配？ Q7 用望远镜拍摄的照片会有噪点，如何分辨这是噪点还是星体？ Q8 面粉加水变成面团，那面团风干为什么不能变成面粉？ Q9 多普勒效应中有红移效应，光子的能量变小，能量不守恒吗？ Q10 在一个短路电路中，假设短路端特别长，电流要很久才能走完，近端的用电器是否会亮？ Q11 过强光后眼睛前为什么会出现红红绿绿的光斑？ Q12 如果宇宙充满空气会怎样？是不是意味着宇宙是有限的？

Q1 为什么蚂蚁在外面找到食物之后都是往洞里搬？从来没看见过蚂蚁在外面吃食物？

by 纪念信所

答：

蚂蚁找到食物之后带回洞穴而不是就地进食，原因在于它们肩负着为同伴觅食的职责。这种现象是蚂蚁高度的社会化行为的结果。

蚂蚁是真社会性（eusociality）昆虫，成员分工协作完成群体的各项工作，不同个体之间有极为严格的职能分化。一般的蚁群由专职产卵的蚁后、在繁殖季节出现的雄蚁和未交配雌蚁（又称公主蚁）以及大量辛勤劳作的工蚁组成。通常，只有负责寻找食物的工蚁会出巢觅食，其余同伴要靠它们喂养。

例如，蚁后专职生育后代，几乎“衣来伸手，饭来张口”，生活起居基本上由工蚁照料；有一个工蚁的分支叫做兵蚁，专职抵御入侵，拥有强壮的上颚。但有些兵蚁（如切叶蚁）的“武器”太过强大甚至影响了进食，只好由其他工蚁伙伴将食物送入它们口中。

当然，工蚁也是需要进食的。工蚁有神奇的“双胃”结构，完美适应自己的任务：前胃用来储存给同伴的食物，称为社会胃；后胃用来进行消化获取营养，称为消化胃。在遇到液体状或小块食物时，工蚁会食用一部分，再将其余的储存在前胃中带回洞穴。遇到大块食物时，工蚁会释放信息素来呼唤同伴，齐心协力将食物带回洞穴后再进食。

参考资料：

1. 秦玉川，石旺鹏等.昆虫行为学导论[M].科学出版社，2009.

by des

Q.E.D.

Q2 为什么眼镜布可以把眼镜擦干净，即这两种材料之间摩擦为什么会使污物到眼镜布上，而非眼镜上？

by 明

答：

这关系几种不同的机理:

一方面，我们都默认眼镜布是比眼镜干净的，否则想象一下拿脏兮兮的抹布擦干净的沙发，沙发反而会变脏。正是因为眼镜布更干净，即便只靠平均效应，用大面积的眼镜布就能够去除眼镜上的大部分污物（即使最终眼镜仍然比眼镜布更脏）。

另一方面则涉及到两种材料的不同性质。眼镜布是一个疏松多孔的结构，天生对小颗粒有更强的吸附作用（大名鼎鼎的活性炭也是此原理）。相比之下眼镜是一个坚硬平整的平面，吸附作用弱许多。

最后则涉及到擦眼镜的方式。正确的擦眼镜方式是用水润湿，冲洗，不能直接用眼镜布干擦，否则固体灰尘会刮花眼镜片。这就涉及到两种材料对水的亲和性。眼镜布的疏松多孔可以利用毛细效应吸收液体，顺势就将水中的污物吸走。

by 灵境

Q.E.D.

Q3 在做一些精细的工作时，比如：解剖植物，为什么手会抖？有什么方法改善吗？

by Brigade

答：

在进行解剖植物这类需要高度专注和稳定性的精细工作时，手抖是一个非常常见的现象。造成这一现象的原因有很多，这里主要概括为生理、心理以及姿势三个方面。

首先从生理层面来看，我们的手结构十分复杂，一共拥有超过30块肌肉和27块骨头，所以精准控制起来也会非常复杂。大脑为了高效管理，会采用一种叫做肌肉协同（Muscle Synergy）的策略。简单来说，大脑不是单独指挥每一块肌肉，而是将几组肌肉的收缩模式“打包”成固定的模块来使用。在我们进行不熟练或高度精细的动作时，肌肉的协同运动可能会出现轻微的不协调，从而表现为手抖。

其次是心理方面，在做精细工作时，我们同时也会意识到这项工作的"精细性"和"重要性"，让我们不自觉地产生心理压力。这种压力会激活交感神经系统，导致肾上腺素分泌增加，引起心率加快、肌肉紧张，最终导致手抖。并且，当注意力过度集中在“不要手抖啊o(>﹏<)o”或者对"失误了怎么办呀o(╥﹏╥)o"这种工作失误的恐惧上时，大脑对肌肉发出的控制信号可能会变得过于强烈，使得我们的动作更加不协调，手抖变得更加明显。

最后就是姿势问题，如果在工作时，手部或手臂缺乏足够支撑，例如手臂悬空，或者工作台高度不合适，导致肩部、肘部或手腕处于不自然位置，这时部分肌肉就需要持续用力以维持姿势，容易引起肌肉疲劳。此外，由于缺少稳定的支撑点，身体微小的抖动也会在末端（手部）被放大，这些因素共同作用，最终表现为手抖。

综上所述，想要改善手抖的话，可以让自己工作时尽量保持心态平稳，不要过于紧张，并调整好合适的工作姿势。平时也可以多加练习，让大脑和手部肌肉之间建立起高效的控制回路，也就是形成"肌肉记忆"。因此方法最终也可以总结为四个字：熟能生巧。

参考资料：

1. Vinjamuri R, Sun M, Chang C C, et al. Dimensionality Reduction in Control and Coordination of the Human Hand[J]. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2010, 57(2): 284-295.

2. 常超群. 手部运动肌肉协同分析与康复研究[D]. 燕山大学, 2023. DOI: 10.27440/d.cnki. gysdu. 2023.003051.

by LogicMoriaty

Q.E.D.

Q4 健身消耗能量，假设你健身前跟健身后的器材摆放位置完全相同，那么整个健身房机械能在你健身前后都不变，但是你消耗了能量，根据能量守恒定律，消耗的能量去了哪里？

by 郑藏枭

答：

恭喜你重演了19世纪能量守恒定律确立前夕人们对能量形式的争论和曲折。没错，哑铃还在架子上，跑步机也停在原地，整个健身房的机械能确实纹丝未动。然而，你的感觉是对的，“你消耗了能量”，这些能量去了哪儿呢？

最大头的去处便是转化为热量，改变了环境的“内能”。早在1847年，在人们对“热”的本质尚不清楚时，詹姆斯·焦耳测定“热功当量”的实验便表明，热量与机械能两个看似截然不同的物理量可通过定量比例相互转化。后来人们发现，“热量的传递”事实上反映了微观尺度上分子热运动的速率变化（改变了温度），或者改变了分子间距（改变了物质聚集的状态），因此也是一种能量形式。这种能量由于位于内部，不随着系统的宏观过程（例如位移）改变，故得名内能。回到你的问题，健身房的确没变得更乱，但它（尤其是你）的温度升高了。你在运动中通过皮肤毛孔，汗液分泌等途径源源不断地散发着热量，这些热量散失到空气中，使得环境分子进行更剧烈的运动，改变了环境的内能。

此外，健身时，你实际上在微观层面“大兴土木”，比如合成蛋白质、修复肌纤维。更重要的是，你的身体在运动后需要恢复静息状态，比如将泵出细胞外的钾离子再泵回来。这些过程都是耗能的。这些能量不直接表现为宏观运动，但维持了你生命系统的有序，在这些过程中，你消耗了身体内部的化学能（来源于你吃的饭，储存的糖原，也许还有你想减掉的脂肪)。它们绝大部分转化为了热能，并贡献给了整个宇宙的熵增。

by 滪旸

Q.E.D.

Q5 为什么“场”是真实存在的呢？它是一种物质吗？能量是如何通过“场”进行传递的呢？

by 一到取名就犯难

答：

在早期的物理学中，人们很难理解两个物体（比如太阳和地球）是如何在没有任何接触的情况下相互影响的。牛顿的万有引力定律描述了其中的一种作用力，但没有解释它是如何传递的。当时的人们就提出了“超距作用”：即作用的传递是瞬时的，不受距离限制。

后来人们发现当一个电荷移动时，另一个遥远的电荷并不会立刻感受到影响。在电荷移动和远方电荷感受到力之间的这段时间内，能量和动量似乎“丢失”了。为了保证能量和动量守恒，物理学家们提出，这些“丢失”的能量和动量就储存在场中，能量由场来传递。最早，场是由法拉第提出的，单纯用以描述各个空间的力，但其物理内涵被后世的人们不断完善，并不断证实了场的正确性。

场的提出可以解释许多实验现象，比如电磁波（光、无线电波等）的传播。因此，场不是一个纯粹的数学工具，它具有独立的物理实在性，可以携带能量和动量。

从能动量的角度来看：场占据空间，并且具有能量和动量，这是物质的某些基本属性。从量子场论的角度来看：在现代物理学中，所有的基本粒子（如电子、夸克）都被认为是相应量子场的激发态或量子。在这个意义上，场是构成宇宙的基本实体，粒子是场的量子表现。

最后，能量是通过场的局域变化来传递的：

当一个源（比如一个加速的电荷）发生变化时，它会引起周围场的相应变化。这种变化会以波动的形式向外传播，这就是波（例如电磁波）。 当这个波动的场到达远处的物体（比如一根天线或一个遥远电荷）时，它会与该物体相互作用，将储存在场中的能量和动量传递给物体，从而影响其运动或状态。

by ipeatam

Q.E.D.

Q6 为什么意识到自己在呼吸后呼吸就变成自主的了？呼吸究竟受不受意识支配？

by HF

答：

这是因为呼吸同时受植物神经和动物神经控制。植物神经是指不受意识控制的神经，动物神经指受自主意识控制的神经。一般情况下呼吸是由脑干自主控制，但是特殊情况下会由更高级的大脑皮层，也就是我们说的意识来控制。就好比说一个自治区平时政府任由它自我管理，但是一旦遇到特殊事件，比如潜水的时候，这个时候更高级的中央就会直接介入管理，呼吸也就由植物神经变为了动物神经主动控制。

by 灵境

Q.E.D.

Q7 用望远镜拍摄的照片会有噪点，如何分辨这是噪点还是星体？

by 匿名

答：

“你这照片星星怎么这么多呀？”“其实都是噪点（逃）”（图片来源于网络）

成像中的噪声可以笼统地分为两种：一种是随机噪声，一种是固定噪声。随机噪声主要包括光子噪声和感光元件的读出噪声。如何消除随机噪声？答：多拍几张。当拍摄多张照片时，每张照片中星星的位置与强度是固定的，随机噪声则恰恰相反。因此平均值堆栈可以有效消除随机噪声，理论上堆栈 张照片，信噪比可以提高 倍。

那么固定噪声该如何消除呢？答：盖上镜头盖。此时拍摄的照片，只包含固定噪声与随机噪声，去除随机噪声后，剩下的就是固定噪声——用这张图片作为参考，即可消除星空中的固定噪声了。当然，具体的处理步骤要更复杂一些。实际的天文拍摄中，还会通过降低传感器温度等方法，尽量降低固定噪声的影响，得到更为纯净的星空照片。

参考资料：

1. Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods. Digital Image Processing (4th Edition)[M]. New York: Pearson, 2017.

by 冰糕

Q.E.D.

Q8 面粉加水变成面团，那面团风干为什么不能变成面粉？

by 萌橙

答：

先说结论：这是因为面粉遇到水之后发生的不只是简单的混合，而是发生了复杂的不可逆化学反应。

不知道大家有没有发现，超市里卖的面粉分为“高筋”“中筋”和“低筋”三种。这个筋度的高低，实际上说的是面粉中蛋白质含量的多少，其中用来做面包馒头的高筋面粉中的蛋白质含量最高，因为蛋白质是形成面筋网络的原料。

小麦种子中有70%~90%是麦醇溶蛋白和麦谷蛋白，这两种蛋白在水中发生的溶胀过程是面团形成的主要机理。当蛋白质遇到水后，水分子不仅会与蛋白质表面的亲水基团结合，还会以扩散的方式向蛋白质内部渗透，让原本缩成一团的蛋白质伸展开来，体积变大。这时，大量的含硫氨基酸被暴露出来，它们上面的硫氢键（-SH）在相互靠近的时候会在氧气的作用下被氧化成二硫键（-S-S-），把两个蛋白质分子连接起来，最终形成一张蛋白质骨架——这就是面筋。

而面团风干只是让水分蒸发，这是一个简单的物理过程，并不会还原已经形成了的面筋网络，这就是为什么面团风干后不再是面粉的原因。所以说，面粉对水是“一经牵手，终生不悔”，想拆散？没那么容易！

参考资料：

1. 钟志惠,陈迤.中式面点工艺与实训（第三版）[M].北京:高等教育出版社,2021.

2. 郭兴凤,张莹莹,任聪,石长硕,孙小红.小麦蛋白质的组成与面筋网络结构、面制品品质关系的研究进展[J].河南工业大学学报（自然科学版）,2018,39(6):119-124.

by 叉叉

Q.E.D.

Q9 多普勒效应中有红移效应，光子的能量变小，能量不守恒吗？

by 匿名

答：

总结来说：能量并没有凭空消失，能量守恒定律依然成立，能量是相对量而不是绝对量。

运动学多普勒效应，即光源高速飞离我们。在这种情况下，我们观测到的光子能量变小，这并不是能量丢失了，而是能量在整个系统中进行了重新分配。在相对论中，能量是一个相对量，取决于观测者的参考系。更重要的是，如果不考虑环境对体系的影响，在光子发射和吸收的过程中，光源和观测者都会发生微小的反冲。当我们把光子“丢失”的能量和光源、观测者动能的变化一起计算时，会发现整个系统的总能量是精确守恒的。

还可以介绍一种叫做宇宙学红移的现象，这是由宇宙空间本身膨胀引起的。光子在穿越数十亿光年的膨胀空间时，其波长被时空本身“拉伸”了，导致能量确实降低了。这是否违反了能量守恒？也不违反，但情况更为深刻。在广义相对论中，我们熟知的基于时间平移对称性的经典能量守恒定律在这样一个动态变化、不断膨胀的时空中，不再以简单相加的形式成立。最被接受的物理解释是，光子在膨胀的时空中传播时，它对宇宙的引力场做了功，能量被转移给了正在膨胀的时空本身。

因此，无论哪种情况，能量都没有消失，在一个特定的参考系中是精确守恒的，但是在考虑能量守恒时一定要注意，不同参考系中的能量可以不同。

参考资料：

1. 刘战存. “多普勒和多普勒效应的起源.” 物理 32.07 (2003): 0-0.

2. Harrison, Edward. Cosmology: the science of the universe. Cambridge University Press, 2000.

by 一毫

Q.E.D.

Q10 刷小红书碰到一个物理题，感觉还挺有意思的，想请物理所的大佬们解答一下：如图，在一个短路电路中，短路的那一端特别长，电流要很久才能走完，近端的这个用电器是否会亮？导线中电阻忽略不计（理想情况），电路中的电流电压刚好够这个灯泡用。

by 寒玉

答：

以下讨论基于一个前提：电池的内阻不为零，由此结论是：灯泡会先亮起一段时间，然后逐渐熄灭。

上过小学二年级学过麦克斯韦方程组的读者朋友们都知道，电磁场的建立和传播是需要时间的，在电路极其长的时候效果尤为明显，导线中的电场和电流激发的磁场会从电池出发，长途跋涉，直到半年后在遥远的彼岸重逢。 读到这可能就有读者朋友忍不住了：叽里咕噜说什么呢？我问的是近端的电灯泡，和远端的导线有什么关系？

巧了不是，还真有关系！如此大尺度的一个线圈，其电感可不是一个小数目。电感会试图阻止电路中电流的变化，当通过电感的电流发生变化时，其会产生一个反向的感应电动势 感 ，其中L为元件电感的大小。

作为一个估算，我们来看看这个线圈的电感有多大，回忆我们小学一年级学过的毕奥-萨伐尔定律： 考虑最简单的情况：这个总长一光年的电线在真空中简单朴素地绕成一个圆形，半径为设R，完全稳定时电流设为I，则此时其圆心处的磁感应强度为： 我们假设圆形内磁场强度大致和中心处一致（不一致也没关系，数量级对了就行），则这个单匝圆线圈的磁通约为： 从而可以得到这个线圈的电感L为：

考虑到这是一个总长为一光年的超长导线，它的总电感能达到 数量级。不过这个电感并不是一开始就有这么大，刚开始时并不是环线中所有地方都有电流、空间中的磁场也是一个逐渐向外传播、建立的过程，作为估算，我们简单认为这个电感是线性增加的，那每一秒增加的电感值也有100H左右，这是这么概念呢，给小灯泡供电的电池电压为1.5V，在这一秒内只能给这个线圈增加0.015A的电流，随着时间的推移，电流的增加只会更为缓慢。故而由于电感的存在，在早期我们可以近似忽略远端导线的分流，小灯泡可以亮起；后续短路导线的电流逐渐上升后，小灯泡才会慢慢熄灭。

参考资料：

1. 赵凯华. 电磁学（第四版）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2018.

by 小咕咕

Q.E.D.

Q11 看过强光后眼睛前为什么会出现红红绿绿的光斑？

by 好奇宝宝

答：

当你盯着强光源——比如汽车远光灯、闪光灯或阳光反射的镜面——然后迅速移开视线，眼前仍会残留一片红红绿绿的光斑。这并不是光还在，而是你的眼睛还没恢复过来。

强光让视网膜上负责感光的细胞——视杆细胞（感知明暗）和视锥细胞（感知颜色）——瞬间“超负荷”。它们的感光色素被大量分解，一时无法继续响应新的光信号。等光源消失后，这些细胞需要时间重新合成色素、恢复敏感度，于是在此期间你看到的就是所谓的“残像”。

那为什么是红绿蓝的彩色光斑？因为人眼有三类视锥细胞，分别对应红、绿、蓝三种颜色，它们的恢复速度不同。当白光强烈刺激后，红敏细胞可能先恢复，蓝敏细胞稍慢，于是残像的颜色会随着恢复过程从绿色变红、再到紫色。这种现象在心理学中称为“负后像”。例如盯着红色圆点看十秒，再看白墙，就会看到一个绿色影子——红敏细胞疲劳后，剩余的绿、蓝信号混合成青色。

一般的闪光灯或太阳反光只会造成暂时性失敏，不会伤害眼睛。但若长时间直视太阳或激光，可能导致视网膜灼伤、形成永久盲点。所以，当你看到那片红绿光斑，其实是眼睛在警告你：“刚才那一下太亮了！”

参考资料：

1. Rieke F., Baylor D. A. Origin and functional impact of dark noise in retinal cones. Neuron, 2000, 26(1):181–186.

2. Stockman A., Sharpe L. T. The spectral sensitivities of the middle- and long-wavelength-sensitive cones derived from measurements in observers of known genotype. Vision Research, 2000, 40(13):1711–1737.

by 柠七

Q.E.D.

Q12 如果宇宙不是真空，而是充满空气，会怎样？是不是意味着宇宙是有限的？

by 匿名

答：

我们这里认为“空气”意指和地球大气一样的物质，在一瞬间突然充斥了整个可观测宇宙。这简直就是完美的各向同性均匀介质，此时宇宙几乎就完全由这团气体主导，不妨让我们类比一下，如果这团空气是 的人，这已经是200斤的英国大理石大力士了，现在太阳系总质量只有一个病毒这么重。这样我们就放心大胆地利用弗里德曼方程算后续的演化了~

对于我们要算的“空气”，密度 ，压强 ，物质场长成这个样子

罗伯森-沃尔克度规（RW度规）描述了一种各向同性的、均匀的、有曲率的宇宙

可能大多数网友对度规不是很了解。大家只需要注意到 的时候空间分量消失了，此时宇宙就完全坍缩了。

我们把RW度规和物态方程带入爱因斯坦方程计算（冗长无聊）得到弗里德曼方程。注意空气暂时满足理想气体状态方程， 和 成正比，不妨设 ，于是消掉 得到

计算得到

不过对于尘埃，事实上 ，取 简化。

这里回答宇宙是否有限的问题，是的，这个 大于零就说明宇宙不是平直也不是双曲，而是像球面一样有限但是无界！再继续定出常数 。

这个方程其实是一维库仑势的运动方程，你就看着咱们宇宙哧溜一下滚进 的坑里。就是整个宇宙坍缩成一个奇点了，看度规也可以知道，就是 ，空间分量已经消失了！

当然，我们还有时间计算一下还剩多少时间宇宙坍缩，经过又一次冗长的计算得到

这就是说，宇宙将会在16小时后彻底坍缩。总而言之，恭喜这位匿名网友成功让我们的宇宙彻底完蛋~

by zbl

Q.E.D.

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des、ipeatam、灵境、滪旸、zbl、LogicMoriaty、叉叉、一毫、冰糕、小咕咕、柠七

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