太阳一直在核聚变，为什么不会爆炸？| No.533

同样是核聚变，

太阳能稳定燃烧几十亿年，

氢弹却是在一瞬间爆炸，

这是为什么？

图源 NASA/Goddard Space Flight Center

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Q1 为什么电梯里没信号？
Q2 蛋为什么会散黄？散黄后还能吃吗？
Q3 马桶经常堵，为什么不把排水弯做粗些？
Q4 电子秤的盘上，在不同位置放同一个物品，显示的重量一样吗？
Q5 撕塑料包装时，有时非常难撕开，有时又非常容易，是什么原因？
Q6 一个东西的长度的真实值更可能是有理数还是无理数？
Q7 火的本质是什么？是能量的一种表现形式吗？
Q8 暗物质、暗能量是什么？目前的研究进展如何？
Q9 为什么去游泳下水时觉得水冷，适应后出水时又觉得空气冷？
Q10 太阳一直在核聚变，为什么不会像氢弹一样爆炸？

Q1 为什么电梯里没信号?

by LY

答：

这里需要关注的是电磁波和金属。手机与基站通信依靠无线电波，而电梯通常由大面积金属板构成。电磁波遇到导体后，会在其表面激发感应电流，使大部分入射能量被反射，还有一部分能量在金属内部因电阻损耗转化为热。对于通常厚度的金属板，直接穿透的无线电波可以近似忽略。不过，电梯并非完全封闭，电磁波仍可能通过门缝、通风孔等开口进入或离开。对于手机通信所使用的无线电波，当开口尺寸远小于波长时，电磁波的泄漏通常较弱，但实际情况还与开口形状、长度等因素有关。因此，金属电梯可以近似看成一个不完美的法拉第笼。而且通信还是双向的，不仅基站的信号难进来，手机发出的信号也很难出去。

除此之外，挡在信号前面的还不只有电梯本身。电梯井周围通常有混凝土、钢筋和楼板等结构，无线电波在传播过程中会发生反射和吸收等现象，使穿过这些结构后的信号进一步减弱。建筑材料的电学性质和结构也会明显影响无线电波传播，因此室外信号在进入建筑内部时，往往就已经产生了一定的传播损耗。

不过，狭长井道和金属表面还会形成复杂的多径传播：无线电波经过不同路径反射后抵达手机，不同路径的电磁波叠加时，有时会相互增强，有时会相互抵消。对电梯井的相关研究也发现，不同建筑结构、电梯位置及运动状态下，无线信道的传播损耗和时延特征都可能发生变化。

参考文献：

1. Sun R, Matolak D W. Characterization of the 5-GHz Elevator Shaft Channel[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2013.

by 持之以恒

Q.E.D.
Q2 蛋为什么会散黄？散黄后还能吃吗？

by 匿名

答：

蛋黄外面包着一层蛋黄膜，散黄指的是蛋黄膜破损，导致蛋黄流到了蛋清中。破膜的原因主要有三种。

第一种是运输震荡。鸡蛋在运输途中受到剧烈摇晃，蛋黄膜被震破。这种蛋营养价值基本不变；第二种则是存放过久。蛋白和蛋黄的盐类浓度、水分本来就不一样，蛋白的渗透压比蛋黄低。（渗透压可以理解为“吸水”的能力）存放过程中，蛋白中的水分不断向蛋黄渗透，膜越撑越弱，最终散黄。第三种是腐败菌入侵。细菌从蛋壳气孔或表面微小裂缝钻进蛋体，分解蛋清中的营养物质，蛋清与蛋黄间的渗透压随之改变，最终蛋黄膜被破坏。

如果是前两种原因导致的鸡蛋散黄，加热后还是可以吃的，但是需要注意把蛋清蛋黄都加热到完全凝固的状态，或者做成炒蛋、蛋花汤等煮得较熟的菜。而如果是第三种情况就不能再吃了。

那么大家怎么判别呢？一般来说，蛋壳没破、打开后没异味也没肉眼可见异样的，多半是前两种；如果壳面出现菌斑、打开有异样腥味、蛋黄蛋清混成一体、蛋液浑浊的，就说明是细菌入侵了。但无异味也不等于没有腐败细菌，所以决定吃的散黄蛋，务必彻底做熟、把蛋黄蛋清完全凝固。

最后提醒：挑鸡蛋时发现裂纹的，不要去买；买回家后，才发现裂纹或存放中磕碰的，更容易被细菌侵入，应该挑出来，确认无异味后先吃，避免久放。

by 柠七

Q.E.D.
Q3 马桶经常堵，为什么不把排水弯做粗些？by pdd

答：

马桶下水口设计的核心原理是利用流体力学与重力作用，通过特定管道形状实现污物排放与防臭功能，管径和弯度只能取折中值，其中S形弯管也就是存水管的水封设计和虹吸效应就是关键。

S形排污管的管道呈"∽"型弯曲，冲水时快速充满水形成水位差，利用虹吸效应产生吸力排走污物。存水弯的管道直径通常在50-75mm,S弯底部常存少量水，约50mm高度，形成液封阻断下水道臭气返流。冲水的时候有两种，直冲式是靠水流重力加速度冲击排污，虹吸式通过细管道增强虹吸效率，减少噪音。

直冲式的排污管为粗直管，约直径9-10厘米（视品牌而定），路径短、转折少，依靠较大水流冲力，不易堵塞但噪音明显。但这种一般都是在公共场所蹲便器，因为使用频率高、排污量大。虹吸式还细分喷射式（管口对侧加喷口增强吸力）和旋涡式（侧方出水形成漩涡），管道较细，约5-6厘米（视品牌而定），静音但需注意纸品类型。

存水弯的核心是通过弯管内的存水形成水封，隔绝管道臭气。若管道直径过小（如低于50mm），排水时水流速度过快，可能冲走存水导致水封失效；直径过大，同样水量下，水封会变浅分布更散，防臭效果下降，还可能降低水流速度，导致污物沉积，增加堵塞风险。现代马桶一次冲水通常只有 3–6 升。如果排污弯做得很粗，这点水很难形成足够的冲刷力和虹吸力，污物可能留在弯管里。

by 蓝多多

Q.E.D.
Q4 电子秤的盘上，在不同位置分次放置同一的物体，那秤的重量一样吗?

by 匿名

答：

理想情况下称量结果应相同，但实际可能出现小幅差异。严格来说，电子秤通常是通过传感器测量受力引起的形变或电信号，再根据标定关系换算并显示质量。水平放置、物体静止且电子秤已归零时，物体给秤增加的总竖直载荷约为 。改变物体在秤盘上的位置，并不会改变这一总载荷，但改变位置会改变载荷在秤体和各支撑点之间的分配方式。

与此同时，偏心放置还可能使某些传感结构承受额外的弯曲或扭转载荷。对于竖直力 和水平偏心距 的简单情况，相应力矩大小可写为 。实际电子秤的秤盘和传感器并非理想刚体，结构变形、传感器的交叉灵敏度、装配差异以及补偿不完全等，都可能使这种载荷重新分配转化为偏载误差。相关研究还表明，称重传感器的几何结构本身就会影响其对偏心载荷的敏感程度，而具体结果也与电子秤相应型号采用的传感器结构、支撑方式、偏载补偿和校准性能有关。

所以一台性能正常的电子秤在规定称量区域内，同一物体放在不同位置时读数应当基本一致。实际能否观察到差异，还要看偏载误差的大小及电子秤的显示分度值等因素。

参考文献：

1. International Organization of Legal Metrology. Non-automatic weighing instruments. Part 1: Metrological and technical requirements—Tests[S]. OIML R 76-1, 2006.

by 持之以恒

Q.E.D.
Q5 撕同一袋塑料包装袋时，有时候非常难撕开，有时候又像剪刀剪开一样非常容易，是什么原因？

by 匿名

答：

塑料包装袋的边缘做成锯齿状，或在某些位置留下一个小缺口，其实是在人为制造薄弱位置。撕包装袋时，我们需要先让这个缺口附近产生足够大的应力集中，使塑料薄膜真正出现裂纹。顺利的话，裂纹一旦产生，就会迅速向前扩展，于是我们就会感觉它像被剪刀剪开一样，沿着缺口一路撕过去。

而撕开实际上包括“产生裂口”和“扩展裂口”两个过程，前者需要先克服材料起裂的阻力。如果缺口比较浅、位置有偏差，或者封边时受热不均，使这一小段塑料的厚度和材料性能存在差异，就可能导致裂纹不容易产生。此时，我们使的力气可能主要只是让薄膜发生拉伸变形，却始终没有真正撕开。此外，有些塑料包装是由多层薄膜复合而成，如果层间贴合不够牢固，撕开时还可能发生分层，使一部分力消耗在层与层之间的分离上，自然也就更难撕开。

而且，裂纹产生之后也不一定会“乖乖听话”。对于部分塑料薄膜来说，高分子链在加工过程中会形成一定的取向，使材料沿不同方向的撕裂性能存在差异：顺着分子链取向的方向可能更容易撕裂，而垂直方向则更困难。因此，当材料内部的分子取向发生变化时，裂纹也可能受到影响而发生偏转。所以你明明是朝着缺口谷底用力，裂口却突然往旁边跑，甚至越撕越偏。

by 柠七

Q.E.D.
Q6 随便一个东西，它的长度的真实值更有可能是有理数还是无理数?

by 明

答：

这个问题比较复杂，如果是人为设计的东西，受限于加工精度，也不太可能恰好是设计值，只是近似是有理数，但最后的真实值，也大概率是无理数。如果是自然界中的自然形成的，比如头发丝，它几乎不可能恰好是某个有理数，因为物理量本身具有不确定性，也不可能被精确的确定。如果长度只是测量值，比如 12.37 cm，那它本质上是一个有限小数，当然属于有理数，但这只是近似，不是“真实长度”。所以现实测量情况下，我们设计出来的东西按理说是有理数，但那只是近似，真实大概率是无理数。其他的物体我们测出来的是否恰好是有理数，这个很难确定。

但是从数学上来看就不一样了，随便取一个实数，它更可能是无理数。在数轴上随机取点，有理数集合是可数无穷，勒贝格测度是0，无理数集合是不可数无穷，测度等于整个区间的长度。概率上来讲，取到无理数的概率是1 ，有理数的概率是0，但是这不等于“绝对不可能取到有理数”。在连续概率模型里，概率为0的事件仍可能发生，概率为1的事件也不是严格必然。只是说，如果真能“完全随机”挑一个实数，它几乎一定是无理数。数学上严格来说，无理数占绝对多数，随机实数大概率是无理数。

by 蓝多多

Q.E.D.
Q7 火的本质是什么？能量的一种表现形式嘛？

by 匿名

答：

火是什么这个问题科学家很早就做出了解答，从远古时代我们的祖先利用野火到学会生火，再到将火融入生产生活，经历了一个漫长的过程。

“火”本身是一个燃烧过程的现象，“火焰”是这个过程中的高温反应区，一些条件下的火焰里的物质被称为弱电离等离子体。

初中的时候我们学习过，燃烧是一种快速氧化反应，会释放热，通常也伴随发光。火焰不是单一物质，其中大部分是高温气体，但燃烧反应也会产生少量离子和自由电子。有科学家[1]测量过甲烷火焰中的电子、离子等带电粒子，甲烷实际火焰温度在空气中约 1000℃，在燃烧研究中把这类火焰称为“弱电离等离子体”[2]。

在这个剧烈的氧化反应过程中，生成物的化学能低于反应物，多出来的能量便释放出来，主要表现为热和光。所以火本身并不是能量的表现形式，他是燃烧过程中的现象，这个现象伴随能量的释放，燃料中储存的化学能，在燃烧过程中转化成热能和光能。

参考文献：

1. BISETTI F, EL MORSLI M. Calculation and analysis of the mobility and diffusion coefficient of thermal electrons in methane/air premixed flames[J]. Combustion and Flame, 2012, 159(12): 3518–3521. DOI: 10.1016/j.combustflame.2012.08.002

2. WILD J, KUDRNA P, TICHÝ M, et al. Electron temperature measurement in a premixed flat flame using the double probe method[J]. Contributions to Plasma Physics, 2012, 52(8): 692–698. DOI: 10.1002/ctpp.201200005

by LS

Q.E.D.
Q8 为什么还没有人能解答暗物质、暗能量是什么？暗物质、暗能量目前的研究进展怎样？

by Sydney

答：

目前已经能测到它们造成的效应，但还不知道背后的物理本质。暗物质的重要线索之一来自星系旋转。若半径 内的包围质量为 ，圆周运动速度近似满足 ，其中， 表示距离星系中心 处天体的圆周速度， 是万有引力常数， 是半径 以内的总质量， 是到星系中心的距离。如果到了主要可见物质区域之外， 已不再明显增加，速度通常应随距离增大而下降，但许多星系外围的旋转曲线仍接近平坦。再结合引力透镜、宇宙微波背景和大尺度结构等观测，在广义相对论和标准宇宙学框架下，这些证据共同指向一种额外的、目前没有发现显著电磁相互作用的物质成分。

目前主要通过引力效应去“看见”暗物质，弱相互作用大质量粒子（WIMP）、轴子等候选者至今均未确认。2025年，LZ实验在累计约4.2吨·年的有效曝光量（可粗略理解为用4.2吨有效靶物质连续观测1年）中，仍未发现超出预期背景的WIMP信号。曝光量越大，发现极罕见暗物质碰撞的机会通常也越高。

暗能量则是对“宇宙为何加速膨胀”这一未知原因的统称。通常用状态方程参数 描述其性质，其中 是暗能量的压强， 是其质量密度， 是真空光速。与普通气体不同，暗能量可以具有负压强。在广义相对论中，若某种成分占据主导且满足 ，便可推动宇宙加速膨胀。最简单的宇宙学常数满足 。

2025年DESI联合其他宇宙学数据后，发现了暗能量可能随时间变化的迹象。2026年新的莱曼-α森林分析又使结果更接近标准宇宙学模型。因此目前还不能宣称发现了会变化的暗能量。

关于暗物质和暗能量并非毫无线索，而是现象越来越清楚，但本体仍未确定。实验和观测正在不断缩小答案范围，而最终答案是否意味着新粒子、新场甚至新的引力理论，仍有待验证。

参考文献：

1. Bertone G, Hooper D. History of dark matter[J]. Reviews of Modern Physics, 2018.

2. Aalbers J, Akerib D S, Al Musalhi A K, et al. Dark Matter Search Results from 4.2 Tonne-Years of Exposure of the LUX-ZEPLIN (LZ) Experiment[J]. Physical Review Letters, 2025.

3. Navas S, Amsler C, Gutsche T, et al. Review of Particle Physics[J]. Physical Review D, 2024.

by 持之以恒

Q.E.D.
Q9 为什么去游泳下水时觉得池水冷，适应池水温度后出来还觉得空气冷？

by 夜鹭

答：

人体对冷热的感受不仅取决于皮肤温度，还取决于温度的变化速度。如果皮肤温度下降得更迅速，那么体感上就会更冷。温度的下降等价于热量的流失，因此问题中体感更冷的情况，实质是人体热量流失变得得更快。

游泳池的水和空气经过了长时间的接触，为了简便，我们假设它们的温度是相等的，这样人在空气中和在泳池里所处的环境很类似，只是身体周围的介质不同。所以，这两种情况的差异主要取决于水和空气的导热系数。水的导热系数＝0.6W/(m·K)，空气导热系数＝0.026W/(m·K)，可见水的导热能力是空气的约23倍。这表明入水的一瞬间，人体热量流失速度相较于在空气中会暴增，人当然会感到寒冷。

当皮肤适应了水温之后，皮肤温度会达到新的稳态，几乎不再变化。从水中出来时，人身上附着的水珠会迅速蒸发。蒸发吸热，因此热量会在瞬间快速流失。物质相变需要的热量要远超正常情况时的升温。水的比热容＝4.18kJ/(kg·K)，而它的在常温下的汽化潜热＝2440kJ/kg，水在汽化时需要的热量，是它从0℃升温到100℃所需总热量的约5.8倍！因此少量的水就能使得皮肤的温度迅速下降，从而再次感觉到冷。

by nerou987

Q.E.D.
Q10 为什么太阳的核聚变是稳定持续的发生，不是像氢弹一样瞬间释放能量？

by 匿名

答：

先简单讲解一下核聚变的原理和难点：原子核都带正电，彼此之间存在很强的静电斥力。两块核要并成一块，必须靠得足够近，近到另一种力（强相互作用）接管；而要做到这一点，就得让它们带着足够大的动能硬撞上去，也就是把温度升到几千万度以上。即便温度够了，多数碰撞仍会因为量子隧道效应的概率很小而擦肩而过，真正发生聚变的只是极少数。合并后的产物比原料稍轻，少掉的质量变成能量放出来。[1]

太阳里烧的是最普通的氢，而且只有核心在烧。由于引力作用，从中心到约 0.25 个太阳半径这一块才够热，压强足够大（约 1500 万度、约 3000 亿个大气压），核反应只发生在那里；更外面的气体温度不够，不会发生聚变，只是把核心传上来的热量一步步吸收、传递，最后从太阳表面发出去。另外，太阳核心里的反应也不直接：四个质子要经过几次融合才能拼成一个氦-4——两个质子先合成一个氘核，氘核再吸收一个质子变成氦-3，最后两个氦-3 拼成一个氦-4。真正卡住整条链的是第一步：两个质子要合并，必须先有一个经由弱相互作用变成中子，而这概率极低，即使在核心那样的环境里，一个质子平均也要等上百亿年才轮得到一次反应。[1,2]

氢弹走的是另一条路。它不去碰最难烧的普通氢，而直接用氘和氚，不必像普通的氢那样还要等一个经由弱相互作用产生中子的过程，反应几率大得多。点火也不是从外面加热，而是在弹内先引爆一颗专门的小型裂变装置（通常称为初级或扳机）；裂变在极短时间内把温度推到数百万开、放出大量中子，这些能量随即把旁边的热核材料压缩并加热，锂-6 吸收中子生成氚，氚再与氘聚变。燃料块的尺寸很小，聚变在纳秒量级的时间里就完成，还来不及膨胀就已经烧光——能量一次性地全部交出，于是成了爆炸。[4,5]

从前面的原理对比发现，氢弹是把条件一瞬间凑齐烧完，太阳则是靠引力把条件长期稳定。其核心的压强来自外层物质的重量，反应产生的热又向外对抗住这层重量，两股力量相互牵制，于是自带负反馈调节：温度稍高，反应率上升、向外膨胀的趋势增大，于是核心略微膨胀，但又导致密度和温度回落，反应率又下降。另外燃料本身难烧，让反应本来就慢；这份负反馈又让慢变得稳定，所以太阳能平稳地亮几十亿年。[2,3] 顺带一提，太阳的猛其实是错觉。它每秒把约 6 亿吨氢变成 5.96 亿吨氦，相当于 400 万吨物质完全变成能量，听上去惊人；但摊到整个太阳的质量上，每公斤的产热率只有约 0.2 毫瓦，反而低于人体自身的新陈代谢。它不是一颗挂在天上的炸弹，而是一台又大又慢、自带温控的锅炉。[2]

参考文献：

by 小被子

Q.E.D.
投票 本期答题团队

持之以恒、柠七、蓝多多、LS、nerou987、小被子

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