炎热的暑假
小伙伴们都出去游山玩水
大自然的山水之乐
给忙碌的心情放了个假
潺潺的流水总是一道独特的风景
为什么流动的水不易结冰呢？
1Q
都说空气在不断无规律运动，那为什么不会运动到太空中呢？这样不是就没真空了吗？
By 王锦飞
A
首先，作为地球人不要对地球太过自信，如果地球上这点空气如果均匀分布到整个太阳系，那么平均要大约几百甚至上千立方米的空间中才会有一个空气分子，而太阳系不过是人类可观测宇宙中的沧海一粟（的确，太阳系之于可观测宇宙相当于一粒小米之于太平洋）。作为地球人我们并不需要担心地球上的空气“污染”了太空的真空，因为太空真的实在是太太太空了。
其次，由于地球引力，地球上的空气也几乎不会跑到太空中去。这主要是由于空气分子（氧分子、氮分子……）太重了，虽然空气分子在不断无规律运动，但是由于重力的存在，大部分空气分子并不能运动到很高的地方去。这也是海拔越高气压越低的原因。当然，较轻的分子更容易摆脱引力的束缚，事实上地球大气中的氢气氦气早就逃逸的差不多了,因此现在地球大气中几乎没有氢气和氦气这两种气体。相比之下，木星之类的巨行星的大气中就有丰富的氢气和氦气。当然也有少量的地球大气会逃逸到太空中去，这些逃逸的气体也主要是氢气和氦气，其中每年会有大约十万吨氢逃逸到太空，而氧气和氮气则几乎不会逃逸。
2Q
为什么流动的水不易结冰？
By xianzy
A
这个和结晶过程需要水分子在凝结核周围有序的聚集有关。静水中，在达到冰点时，如果水中存在凝结核，水就会慢慢在凝结核周围结晶成冰，凝结过程正是从这些凝结核开始扩散到整个水存在的区域的。但是如果水流动起来，造成的扰动就会对水分子在凝结核周围的有序聚集起到一定的破坏作用，从而使得冰冻过程变得困难。
比较有意思的是，在水缺少凝结核的时候会形成过冷水（低于冰点却不冰冻的水）。与之相对应，在水缺少汽化核的情况下还会形成过热水（高于沸点却不沸腾的水）。
3Q0℃冰熔化成0℃水，吸收热量，温度不变，内能增加。请问增加的内能体现在何处？
By wurenji
A
上周回答了0℃的冰和水分子间距大小的问题，大家还记得冰中水分子间距更大嘛？不了解的同学可以去上一期复习下。这周我们来了解下0℃冰熔化成0℃水时，内能增加的原理。
首先我们来看一下内能的定义，内能是组成物体分子的无规则热运动动能和分子间相互作用势能的总和，简而言之，内能=分子动能+分子势能。从统计物理角度出发，我们认为分子平均动能由温度决定，因此在0℃冰熔化成0℃水的过程中，由于温度不变，动能也是不变的。而冰中的水分子间距更大，因此熔化过程中，分子间距是减小的。根据分子势能和分子间距离的关系图，而水的分子间距大概在r0附近，而冰中分子间距大于r0，因此分子势能增大，总体表现为内能增大。
或者我们换个简单的角度来考虑，改变内能的两种方式是做功和热传递。0℃冰熔化成0℃水的过程是一个吸热的过程，也就是热传递给了物体，所以内能增加。
4Q
为什么高处比低处冷，越高不应该越离太阳近吗？请用大白话回答
By Benson
A
事实上，地球表面大气的温度并不完全是随着高度的升高而降低，而是在不同的高度有不同的表现。以对流层和平流层为例，对流层内大气温度随高度的增加而降低，海拔每升高100米温度约降低0.6度，而在平流层底部温度基本恒定，海拔超过20km的部分温度随高度的增加而升高。原因在于，不同的区域大气获取热量的途径不同，阳光的辐射是所有大气共同的热量来源，这也给题主海拔越高阳光越强（并不是因为离太阳近，而是大气对阳光的吸收比较弱）从而温度越高的印象。不过对于大气层底部的空气来说，地面也会对其直接加热。从今年的报道来看，地表温度突破70摄氏度的城市并不少见，地表对空气的加热效应很明显，而海拔越高地表的加热效果越不明显，从而导致低海拔处温度高，高海拔处温度低。对于平流层的大气来说，地面的影响可以忽略，阳光辐射成为热量的唯一来源。随着海拔的升高，空气的臭氧含量升高，这导致大气对紫外线的吸收增加，温度逐渐上升。
5Q为什么推一下笔，笔往前走，它还会来回滚几下再停？他受到了什么力？
By 苏堤春晓
A
首先表扬一下该提问的粉丝，对平时的生活细节观察地很到位。我们通过理论计算发现，如果笔杆是严格意义上的圆柱形（即重心严格处于中心），以及桌面也是严格意义上的平坦（平坦不代表光滑，也就是说摩擦力依旧存在，不然笔也停不下来）的话，那么笔杆一定会是直接停下来，而不是来回滚几下再停，这是牛顿力学所决定的（有兴趣的读者可以简单推算一下）。因此，出现来回滚动几下再停只可能是因为笔杆的中心并不是刚好在正中心或者桌面有一些很细微的凹凸或者是二者皆有。由于笔杆大致呈圆柱形，其与桌面的接触面积很小，因此对上述的两种扰动十分敏感，而笔杆最后停下来的位置肯定是势能最低的地方（重心最低），因此笔杆一般情况下会来回滚动以调节自身的位置，从而最终找到一个稳定平衡的位置。另外，通过小编的反复试验发现，一般情况下可能第一个原因是主因，即笔杆的中心不是刚好处于正中心（至少小编的笔是这样的）。当然，读者也可以自己做个小实验看看，方法很简单，在笔杆上做个标记，然后多滚动几次笔杆，看看是不是每次笔杆最终停下来时都是同一部位贴着桌面。
6Q
为什么骑自行车比步行又快又省力？两者的静摩擦力都不做功，那我们累的气喘吁吁的能量都去了哪里？
By Doris
A
题主的逻辑乍一看很有道理：摩擦力都不做功了，怎么还会消耗能量。但这是习题中理想情况下的逻辑。实际情况要复杂得多，运动系统不止受到地面的摩擦力，空气阻力、机械内部的摩擦以及人体姿态的变化都会消耗能量：骑车时能量的损耗主要有三个：来自于从动轮的阻力、自行车本身摩擦引起的损耗、风阻。其中风阻随着速度的增加而增加，在达到极限速度时你会发现空气会向墙一样阻碍你前进。这也是自行车运动中存在破风手存在的意义。对于行走，仍然存在风阻和地面的阻力，但是和自行车运动不同的是，行走伴随着重心的高低起伏，不过重心势能的释放并没有转化为动能而是在向下减速过程中转化成了热。一言以蔽之，骑车的能量利用率高于行走，但两者都需要我们消耗能量来维持他们的运动。
7Q
为什么太阳换成黑洞地球的运动轨道依旧不变？
By 清则优
A
首先，太阳的质量不足以形成黑洞。我们可以把问题这样表述：为什么将一颗恒星换成和其质量相同的黑洞不影响同一颗行星的轨道。只要了解牛顿的万有引力定律我们就可以回答这个问题。首先，请题主想象一个场景：有两个品质相同但表面颜色不同的音响分别在你面前同样的位置播放同一段音频，如果整个过程中你闭着眼睛那么你是否可以分辨出它们的颜色?答案显然是否定的。因为听觉只能分辨声音信号，而声音信号只和音频本身还有音响的品质有关而和颜色无关，要想分辨颜色就必须要用到其他的探测手段—视觉。类似的例子还有很多，例如对于电子的简并能级，只测量能量不足以确定电子的状态，还需要测量它的自旋、角动量等信息。题主的问题也是这样的问题：从牛顿的万有引力定律可知行星的轨道只能感知两种信息（忽略形状因素）：一个是星体之间的距离，另一个就是中心星体的质量。也就是说只要中心星体的质量一样，不管它是恒星还是黑洞还是一块砖头，同一颗行星的轨道都是一样的，就像是无论红色音响还是黑色音响发出的声音都是一样的。那怎么来判断它是黑洞还是恒星呢？看一看它“黑不黑”就行了。
8Q
中子是电中性的，但是中子星的磁场是哪里来的呢？
By 浅蓝深蓝
A
中子虽然是电中性的，但是通过实验发现中子内部是有非中性的电结构的，概括来说中子主要由3个带电的夸克构成，夸克在中子中不断“运动”进而产生磁场。也因此中子带有非零的磁矩（约为-9.66×10^-27J/T）。类似地，中性的原子甚至宏观物体（比如磁铁）的磁性也是原因其中的电结构。
虽然说中子本身具有磁矩，但是通过对脉冲星（中子星的一种）的观测发现，脉冲星的磁场之强远非仅靠中子磁矩能够达到。这其中必然有其他的磁化机制存在（注：目前观察到的中子星表面磁感应强度甚至可达千亿特斯拉，而愚蠢的人类在实验室中能够达到的仅仅是100特斯拉的脉冲磁场）。中子星虽然名为中子星，但是中子星里面还是存在一些电子和质子（占十几分之一的质量），并且其中的电子是相对论性的高度简并电子，在费米面附近的能态密度远远大于非相对论性电子。这些电子才是中子星强大磁场的主要来源（至少现在的理论是这么认为的）。中子星的强磁场主要起源于在前体恒星磁场诱导下相对论性强简并电子气的泡利顺磁磁化。
综上所述，中子虽然是电中性的，但是中子仍然拥有磁性；虽然中子拥有磁性，但是中子磁矩并不是中子星磁场的最主要来源。
本期答题团队：
物理所 Aaron Chen、Automan-Ex、螳吉呵呵、大化所 J. Baker、清华大学 原子
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编辑：J.C
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