为什么飘上来的饺子就是熟了？汤圆丸子也可以这样判断吗？ | No.491

问答饺子新鲜出锅啦！

为什么可以用飘上来判定饺子熟了？

对于其他的，

比如汤圆丸子也适用吗？

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Q1 奇异博士在复仇者联盟中的预测属于蒙特卡洛模拟吗？
Q2 为什么湿粉笔在黑板上过一会才显色？
Q3 为什么边摇晃边往外拔棍子更轻松？
Q4 为什么踩在松软雪地上后脚印部分会结冰？
Q5 π²和重力常数g十分接近，是偶然吗？
Q6 为什么在太空中人是“微重力状态”？
Q7 为什么高铁上方裸露的电线不怕雨雪天或者异物刮擦？
Q8 真空真的是空的吗？
Q9 为什么飘上来的饺子就是熟了？为什么飘上来的饺子就是熟了？汤圆丸子也可以这样判断吗？

Q1 奇异博士在复仇者联盟中无数次对未来进行预测，却只看到了一种打败灭霸的方法，就是牺牲托尼。我想知道他的预测属于蒙特卡洛模拟吗？

by Geige

答：

蒙特卡洛模拟是一种用随机性解决确定性问题的方法。例如要用蒙特卡洛方法计算圆周率π，我们可以在边长为1的正方形中均匀随机地生成点，之后我们数出有多少点落在正方形内直径为1的那个圆中，这个数目与点的总数的比值的四倍就是我们估计出的圆周率π。生成的点的数量越多，估计得就越准确。

这种方法适用于要求解的问题非常复杂，或是计算量十分巨大，难以正面求解，比如统计物理中的高维积分，这时候用蒙特卡洛方法往往可以极大简化计算量。但同时，因为它的随机性，必须要依靠足够多的样本量才能获得足够准确的结果。

而在《复联三》中，奇异博士是利用时间宝石，看遍了所有可能的结局，这是一种遍历求解，或是枚举法，得到的答案一定是确定的，而不是蒙特卡洛这样概率性的。因此，他用的并不是蒙特卡洛模拟。

他真的，我哭死

实际情况中，如果已经知道成功的答案在所有可能性中占比极小，那确实不太适用普通的蒙特卡洛模拟，这会消耗巨量计算资源和时间，效率极低，还不一定找得到。如果能知道答案的某些特征，那可以使用重要性采样（比如已经知道钢铁侠活到了结局，那可以只在钢铁侠活着的可能性中进行随机）。不过电影中奇异博士有能力也有时间（可以加速）枚举所有可能性，那当然就不需要随机的蒙特卡洛，可以直接枚举啦╮(╯▽╰)╭。

by 可去奇点

Q.E.D.
Q2 用湿粉笔在黑板上写字为什么过一会儿才显色？

by LY

答：

湿粉笔在黑板上写字不会立刻显色，是因为水暂时“弱化”了光的散射，只有在水分蒸发后，粉笔颗粒重新暴露，字迹才会变白显现出来。

粉笔的主要成分是碳酸钙，它本身并不“发白”，我们看到的白色，其实来自无数微小颗粒对光的强烈散射。干粉笔在黑板上书写时，会留下大量松散的粉末，这些颗粒之间夹杂着空气。空气与碳酸钙折射率差异很大，光在其中发生强烈散射，于是我们看到清晰的白色字迹。但当粉笔被打湿后，情况就不同了。书写时，水会把粉笔颗粒黏在一起，并填充颗粒之间原本充满空气的空隙。水的折射率比空气更接近碳酸钙，这会显著削弱光的散射效果，使粉笔痕迹在黑板上呈现出半透明、偏灰的状态，看起来就像“没写出来”。

随着时间推移，水分开始蒸发。水一旦离开，粉笔颗粒之间重新被空气填充，微观结构再次变得疏松。此时，光的散射迅速增强，原本存在却“不显眼”的字迹就会突然变白、变清晰，仿佛字是“慢慢冒出来的”。

因此，显色并不是字迹新生成，而是光学条件发生了改变：湿的时候散射弱，看不清；干了以后散射强，字才显现。这个过程本质上和湿沙滩看起来更深色、干沙滩更浅色是同一种物理机制。

参考资料：

1. Bohren C F. Clouds in a Glass of Beer: Simple Experiments in Atmospheric Physics[M]. New York: Wiley, 1987. (Chapter: Why is sand darker when it is wet?)

by 柠七

Q.E.D.
Q3 一根棍子插入一个管子里，直接往外拔，很难拔出，但边摇晃边往外拔就很轻松了，为何？

by 匿名

答：

边摇晃边往外拔更轻松，核心在于摇晃改变了棍子与管壁的接触状态和受力方式。

直接向外拔时，棍子与管壁紧密贴合，强大的正压力导致静摩擦力极大。而摇晃（尤其是横向或旋转晃动）会使棍子产生偏斜，棍子和管的贴合度减小，显著减轻了管壁对棍子的挤压力，根据 ,从而直接降低摩擦力。 更进一步地，如果我们能通过摇晃扭动让管子转起来，摇晃带来的振动和冲击能瞬间抖松接触面，并在微观上不断改变摩擦力的作用方向，当棍子拥有自转速度后，相对管的运动速不再与管平行，部分摩擦力将分解到阻碍管子转动的方向上，使其无法持续、完全地对抗单一方向的拔出力。这种“巧劲”通过松动接触和分散阻力，使得拔出过程变得省力。

by clouds

Q.E.D.
Q4 为什么下雪后地上的积雪是松软的但是踩上去过五秒钟把脚拿开之后脚印会结冰？

by 贼明

答：

这一现象是机械压缩、局部融化—再冻结过程，以及雪粒间烧结共同作用的结果。

新下的雪并不是致密的冰块，而是由大量枝状冰晶堆叠而成的疏松骨架，内部夹杂着大量空气，孔隙率极高。这种结构使积雪具有很强的可压缩性。当人踩上去时，脆弱的冰晶骨架迅速坍塌，空气被挤出，雪层在局部被明显压实，因此踩上去感觉松软，却会迅速下陷。

在你停留的几秒钟内，在微观层面，也会出现进一步变化。鞋底施加的压力集中在雪粒接触的微小区域，使局部应力显著升高，根据冰的压强-温度关系，这会略微降低冰的熔点，使冰晶在局部发生融化。同时，鞋底传导的人体热量以及轻微摩擦产生的热，也会促使冰晶边缘融化。在接近 0℃ 的环境中，这些因素产生的液态水量虽然极少，却足以在雪粒之间形成极薄的水膜。这些水既能帮助破碎的雪晶重新排列、填充空隙，也会渗入被压实后的颗粒接触点。

当脚抬起后，压力和热源同时消失，低温环境重新占据主导。先前产生的液态水会在很短时间内重新冻结，把相邻的雪粒“粘结”在一起。在雪物理中，这种由少量液态水参与、在再冻结过程中形成颗粒连接的现象，通常被称为烧结。结果是，原本松散的雪被转变为更加致密、连续的冰状结构，脚印表面因此显得坚硬。

因此，脚印结冰并不是踩踏瞬间完成的，而是在你离开之后，由“融化—再冻结”和烧结过程共同促成的结果。

参考资料：

1. Colbeck, S. C. (1983). The layered character of snow covers. Reviews of Geophysics, 21(1), 1–16.

by 柠七

Q.E.D.
Q5 π²和重力常数g十分接近，是偶然吗？

by 唯颖寻江

答：

这个事还真的很巧合，我们先从物理上来看看。首先 其实告诉我们，一个一米长的单摆的周期大约是 ，这刚好是一个秒摆，所以看起来可能是人为规定的对吧，但是当时定义的标准不是这个，而是通过巴黎的地球子午圈长度的四千万分之一，这个数也很整吧，事实上就是要求 约为整数，因为人类采取了十进制，所以是常用对数。那么想让这两个标准几乎相容，事实上我们等效于要求

而我们对秒的定义，刚刚好使得这个

( 内部量纲为 )，多么巧合啊！这个数刚刚好是 ，只在千分位上有误差，与整数的误差达到了万分之四。

我们再来看看历史吧，秒的划分来自于古埃及与古巴比伦进制体系，后来经过了完善，在机械钟表时代，规定一平太阳日的 为一秒，而米的子午线定义标准是由法国科学院在1791年正式提出并推荐的。法国大革命后，为了统一混乱的度量衡，国民议会委托法国科学院制定新的、基于自然的通用单位系统。通过测量从敦刻尔克到巴塞罗那的子午线，他们得到子午圈的四分之一大约是 （法丈），为了兼顾定义的自然和谐与法国民众换算方便，定义子午圈的四分之一为一千万米，于是一米约等于半法丈。而秒摆派主张以巴黎所在地周期为 的摆长为 ，最终因为相较子午线标准而言不够普适而未被采纳。

现代的定义是，通过铯 133 原子基态的超精细能级跃迁频率为 来定义秒，通过光速定义为 来定义米，如此我们终于能够更加“自然、通用”地定义我们的单位，当然，期待未来有新的物理被不断地发现，推动我们进一步地进行精密测量。

by zbl

Q.E.D.

Q6 太空中的航天器明明受到重力作用，为什么里面的人却是“微重力状态”？航天器发射后，为什么关闭发动机里面就出现了“微重力环境”？

by 一中学子

答：

严格的讲，航天器在太空中并不是“微重力”，而是航天员感受到的重力很小。以国际空间站为例，其轨道高度约 400 千米，此处地球引力加速度仍约为8.7 m/s²，接近地面重力的90%。航天员之所以呈现失重状态，并不是重力很小，而是因为航天器与航天员在重力作用下具有几乎相同的加速度，彼此之间不存在相对加速度。进入轨道并关闭发动机后，舱体不再对人体施加支持力，航天员也就不再受到来自舱壁，地板或宇航服的挤压。人对“重量”的感觉本质上来自这种支持力，当支持力消失，就会出现漂浮现象。由于引力不均匀、大气阻力和设备振动等因素仍会引入极小加速度，因此这种环境被称为“微重力”。

再拓展一下，有一个很反直觉的冷知识：太阳对月球的引力大于地球对月球的引力，约为2.2倍，但是月球仍然是地球的卫星。这也可以用相对加速度的知识解释。虽然太阳对月球的引力确实大于地球对月球的引力，但关键不在于“引力大小”，而在于月球感受到的相对加速度。月球和地球几乎以相同的加速度绕太阳运动，因此太阳引力对二者的作用大多相互抵消；而地球的引力则表现为二者之间的相对加速度，使月球始终被束缚在绕地球运动的轨道上。

by 灵境

Q.E.D.
Q7 为什么高铁上面的电线是裸露的，下雨天，下雪天，或者有异物刮上面不危险吗？

by 春

答：

高铁上方裸露的电线，专业名称叫“接触网”，其设计恰恰是安全与效率平衡的杰作。

它必须裸露，因为高铁依靠车顶的受电弓与之直接摩擦接触来获取电力。接触网电压高达2.5万伏以上，在此等级下，任何固体绝缘材料都无法承受长期的摩擦、日晒与老化，反而会带来更多问题。工程上对此的解决方案是清除周围的接地物体并利用空气绝缘——通过精密计算，确保接触网与周围所有接地物体保持足够的安全距离，只要不闯入这个禁区，电流就无法击穿空气，这是其裸露却安全的基础原理。

下雨下雪时，短路的确是值得重视的安全隐患，不过，在正常设计中也考虑到了这一点。纯水本身导电性很弱，而雨水形成的并非连续水路。更重要的是，高铁高速运行时，受电弓滑板会迅速刮除并蒸发接触线上的水膜，这保证了取电区域的干燥。在严寒冻雨天气，接触网可能覆冰时，铁路部门将会派出专用除冰列车进行机械清除，保障线路通畅。实际上，下雨过程中最大的安全隐患在于柔性的接触网容易受到外力的影响发生位移，因此在它们遭到雷击后发生短路时，列车断电停车的可能性很大。

对于异物刮蹭，真正的威胁来自同时触碰电线与接地物的长条导体（如塑料薄膜、风筝线）。为此，铁路系统早已设有多重防护：在关键路段设置防护网，对线路进行实时监测，更重要的是为供电系统配备了高效的保护装置，一旦检测到短路，它能在百分之几秒内瞬间断电，如同一个极其灵敏的“保险丝”，同时列车也能自动降弓保护自身设备。待危险排除，供电便会恢复。

by 滪旸

Q.E.D.
Q8 真空真的是空的吗？

by 匿名

答：

真空通常被误认为是“空无一物”的状态，实际上，真空的定义是指在给定的空间内，充有低于标准大气压（ ）气体的状态。它是一个相对概念，而非绝对的“空无”。

在理论研究中，我们可以将真空理想化为绝对空无、静止的背景舞台。例如，依赖介质的机械波（如声波）无法在真空中传播，而不依赖介质的电磁波（如光波）可以在真空中传播。

然而,加入量子效应后，卡西米尔效应（Casimir effect）彻底颠覆了这一观念。该效应指出，由于量子力学的不确定性，真空中始终存在着瞬时产生又湮灭的虚粒子涨落。当两块极为靠近的电中性金属平板置于真空中时，板外比板间拥有更多可能的量子涨落模式，从而产生一种可测量的微小吸引力。Casimir力与金属板的面积成正比，对应的压强为 。这一实验直接证明，真空并非“空无一物”，而是所有量子场处于最低能量、却始终剧烈涨落的动态基态。

参考资料：

1. Bordag, M., Klimchitskaya, G. L., Mohideen, U., & Mostepanenko, V. M. (2009). Advances in the Casimir effect. Oxford University Press.

by clouds

Q.E.D.
Q9 为什么可以用飘上来判定饺子熟了？对于其他的，比如汤圆丸子也适用吗？

by 不正小歪歪

答：

用食物“漂上来”来确定是否煮熟，核心原理是加热过程中食物的结构变化导致的密度减小。对于饺子能够可靠地运用此法，是因为生饺子皮和馅的密度都大于水，整体饺子的平均密度也大于水，扔入水中会沉在锅底。而在加热过程中，发生了一个关键变化：饺子皮（面粉）中的淀粉在高温下吸水，溶胀并形成凝胶网络，这一过程也称为糊化；而馅料中的大量水分在受热后产生水蒸气，饺子皮包裹这些水蒸气，使得饺子体积膨胀而密度显著下降，从而可以稳定上浮。因此，这实际上是一种经验规则：上浮既意味着外皮已经熟透，也意味着馅料已经充分加热，因此可以食用。不过对于馅料特别丰富或者冷冻的饺子，最好还是在饺子漂起来后再进行1-2次“点水”，确保热量充分传递到中心。而对于汤圆来说，由于馅料多为“流心”而非固态，最好在上浮后转中小火再煮两三分钟，使得流心馅料也足够热。

但对于纯肉丸，鱼丸等以蛋白质为主的食物而言，“熟”并不表现出这条信号。这类丸子变熟依靠蛋白质受热变性等过程，此过程不会产生大量气泡，因此食物本身密度变化极小，它们可能在未完全煮熟时就因为外部附着小气泡上浮，也可能在完全煮熟后依然沉底，因此，要判断它们是否熟透，必须依靠固定的煮制时间，或者捞起一个切开，看看中心是否完全变色，无血丝才能放心吃。

by 滪旸

Q.E.D.
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