水太深了!黑体辐射与量子烧烤

作为科学史上最负盛名的故事之一,英国著名物理学家、格拉斯哥大学校长开尔文男爵所提出的“两朵乌云”,一直以来都被人们看做是和“牛顿的苹果树”、“孟德尔的豌豆”一个级别的趣味典故,为不少人所津津乐道。

开尔文,一个自我评价为“失败”的成功科学家

(图:维基百科)▼

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在19世纪初,当时的人们普遍认为世界上所有已经发现的物理现象,都可以用牛顿的经典力学理论、麦克斯韦的经典电磁场理论和经典统计力学理论来解释,以至于不少物理学家都生出了“物理学的大厦已经落成,之后的物理学家只需要做些修补工作即可”的错觉。

大家都觉得巨人已经建起高楼

自己等人只需站在巨人肩膀拾漏补缺便可

“牛顿摆”(图:维基百科)▼

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不过,曾任英国皇家学会会长的知名物理学家开尔文却敏锐地认识到,在当时的物理学界中,还有两个非常重要的现象(光速不变和黑体辐射)无法用经典理论来进行解释。为此,他在1900年4月举行的一场演讲中提出了一个非常形象的比喻,即“两朵乌云”。

按照当时的以太学说观点,光的传播介质为以太,光速在顺风和逆风中应该表现出不同的速度,然而在迈克尔逊-莫雷实验(MM实验)的结果却让所有人大跌眼镜,光的干涉条纹在不同条件下始终没产生变化。

红色激光造成的迈克耳孙干涉环(上)

迈克尔逊-莫雷为实验设计的实验装置台(下)

(图:维基百科看)▼

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像牛顿三定律和基因遗传学说一样,这“两朵乌云”背后所引申出的全新科学同样重塑了人类社会的面貌——其中的第一朵乌云后来炸出了爱因斯坦的广义相对论,而在第二朵乌云的电闪雷鸣中,量子力学应运而生……

洞悉量子,造福人类

提起爱因斯坦的相对论,接受过义务教育的人都多多少少地知道一点,稍微深入地了解过的人还知道诸如“尺缩钟慢”、“引力透镜”这样的经典相对论效应。至于量子力学,大部分人就对它知之甚少了。

引力透镜——光在路过强引力场时会发生弯曲

(图:维基百科)▼

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尽管量子力学目前正在研究的内容对大部分人而言的确晦涩难懂,但其实量子力学的运用在我们的生活中相当普遍。在100多年后的今天,不少量子力学的研究成果都已经深入我们的身边,成了日常生活里不可或缺的一部分。

作为能让信息在短时间内就跨越整个地球,传到每个人手里的“通信神器”,手机的核心元件是芯片,芯片又是数亿个晶体管的集合。而说到晶体管的发明,就离不开量子力学的帮助。

实际上,20世纪的人们并不真正了解“电”的本质,直到量子力学提出了“能带理论”后,科学家才搞明白了导体和绝缘体究竟是怎么回事。同时,在“能带理论”的帮助下,科学家搞出了一种时而可以通过电流,时而又可以命令电流不得通过的奇妙物体——“半导体”。

当代电子元件的核心,芯片的根本

(图:shutter stock)▼

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随后,计算机科学家们将允许通过电流的状态命名为1,将不允许通过电流的状态命名为0。听起来是不是有些熟悉?没错,半导体的1和0,就是我们并不陌生的二进制。

虽然在粗通量子力学的情况下,计算机应运而生,但由于技术的限制,初代计算机的个头非常夸张,世界上第一台计算机“ENIAC”足足有30吨,占地超过170平方米,像很多人记忆里的“大头电脑”和它一比都是个小不点,而这样的东西注定是无法进入普通人生活的。

计算机创造之初,是用来计算关于原子弹的相关数据

(图:维基百科)▼

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随着对量子力学理论研究的不断深入,科学家驾驭电子的能力也在不断增强。1947年,来自美国贝尔实验室的三位科学家发明了人类历史上第一个晶体管,并在之后的几年里不断地对其加以改进,等到1954年,美国军方成功制造出世界首台晶体管计算机TRIDAC时,它的尺寸就只有三立方英尺(约.085立方米)了。

ENIAC、TRIDAC都是对量子力学最粗糙的运用

时至今日,我们甚至已经有了量子计算机

(图:shutter stock)▼

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如果没有量子力学,人类就无法造出芯片,无法让方便智能的手机进入千家万户。量子力学无论在吃喝住行,还是娱乐医疗领域,都是正发挥着巨大作用的重要科学理论。

 吃个烧烤,也有量子

其实,在日常生活的很多地方,同样隐藏着许多我们极少留心,但深究起来却极富趣味的小细节,而一旦将它们挖掘出来,其中所蕴含的庞大科学信息量,往往会令人惊叹。

不少人看来,物体在升温到一定程度后就会发光属于最基本的生活常识,像烧烤时的炭火,就会随着加热而变得滚烫而赤红,但很少有人会去思考它呈现出的颜色与温度之间是否有直接关系。

物体升温到一定程度会发光是常识

菜如果做的好吃会变成金色传说也是常识(bushi

(来源:tumblr)▼

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而更有趣的是,如果两样物体的温度差不多,那么就算他们的材质、大小和形状都完全不同,其发出光的颜色也是完全相同的。

于是人们就想到,如果温度和光之间有着明确的对应关系,那为何不总结出一个公式,方便以后的科学研究呢?比如,人们无法直接测量钢铁厂里钢水的温度,但只要通过钢水的颜色,就能立刻得知其准确温度,这不是方便得多吗?

30天炼金术士速成班有了这个秘籍现在你也能学会

(图:壹图网)▼

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在这个思路的指导下,为了更进一步地研究辐射强度和物体温度之间的关系,科学家们构思出了一种能全部吸收外来电磁辐射的理想物质“黑体”,并进行了一系列的实验。

但当时的物理学家们惊恐地发现,黑体辐射出的能量并不是连续的,就好比小孩子吃饭长个,一开始是随着吃的饭而一厘米一厘米地均匀长高,但等到长到1米6后,先是吃饭不再长高,随后又被发现在第二天一下长高了三厘米,他父母的惊恐可想而知,而当时的物理学家们也是差不多的心情。

黑体辐射变化并不遵循经典力学

让无数学者抓耳挠腮,苦恼不已

(图:维基百科)▼

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在种种试图以经典热力学理论解释黑体辐射和温度关系的尝试纷纷以失败告终后,年轻时帅得倾倒天下的德国物理学家普朗克提出——光只能以离散的能量块,即以一个小小的常数乘以频率的整数倍地发射,类似于手机上的图像看似精致,其实都是由一个个像素块组成,他将我们世界的“像素块”命名为“量子”后,黑体辐射问题才得到了一个较好的解释,而这也正是量子力学研究的开端。

这位与爱因斯坦齐名的科学家

年轻时靠着这张脸一定也很吃得开

(图:维基百科)▼

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就这样,在量子力学的帮助下,人们终于把光谱颜色和温度实现了一一对应,而后者最典型的应用就是测量恒星的温度——哪怕天上的恒星距离有我们上亿光年远,我们也可以通过测量其光谱的颜色,准确地得知他的温度。

比如,那些表面温度最低(1000摄氏度左右)的恒星发出的光偏红,因此被天文学家称之为“红矮星”,而温度稍高一点的恒星(5000摄氏度左右),发出的光偏黄,被天文学家称之为“黄矮星”。而那些表面温度极高的恒星(超过1万摄氏度)发出的光则白中带蓝,是恒星家族中当之无愧的巨无霸,会被冠以“蓝巨星”的称号。

恒星光谱类型和各种恒星的绝对星等

(图:维基百科)▼

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小到烧烤的炭火,大到天上的星星,看似两个毫不相关的事物,却都同时遵循着量子力学的基本原理,这或许正是量子力学的迷人之处吧。

酥脆多汁的炸鸡,有黑科技?

量子理论除了能揭示烧烤在“声光电”效果和“温度熟成”的关系,炸鸡薯条这类烹炸食物依然适用。

对于美味食物的追求是刻在我们每个人文化基因里的追求,而炸鸡作为目前最流行的快餐食物之一,以其口感酥脆、外酥里嫩的特性博得了无数人的喜爱。

(图:壹图网)▼

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提起炸鸡,不少人都会理所当然地以为,只要把切成块的鸡肉放进油锅里煎炸即可,但很多人在自己做炸鸡时,都或多或少地遇到了一些问题,要么是炸出来的鸡肉质不够细嫩,要么是熟得不够均匀,外面干了里面还没熟透,而这也说明做炸鸡并不像人们表面以为的那样简单。它的背后,也藏着许多常人所不了解的“黑科技”。

炸鸡的脆,很大程度上是拜“炸”这个步骤所赐。在油炸的过程中,油热对流的速度远远超过鸡肉自身的热传导速度,因此炸鸡表面很快就会脱水干燥,而水分在高温蒸发之后,又会留下不少孔洞。在毛细效应的作用下,油加快渗入炸鸡,填充了炸鸡表面的疏松孔洞,填补了之前的“缺憾”,这才让炸鸡的表面如此香嫩酥脆。

汁水饱满的骨肉,才能填补寂寞的灵魂

(图:shutter stock)▼

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不过,由于肉在受热后会发生蛋白质变性,纤维会收紧导致水分流失,因此为了尽可能地保留肉汁,最好在将肉弄熟的同时尽量减少肌纤维紧缩的现象。在经过反复试验和摸索后,最佳温度被确定在55-60度之间。

同样地,由于肉本身导热速度较慢,此时炸鸡的外表可能已经酥脆金黄,但内部还没熟,因此应当立刻将炸鸡从油锅中捞出,送进蒸烤箱进行蒸烤,这就是极少有人能够想到的烹饪流程了。

不过,蒸的过程同样有诸多讲究,例如如果直接蒸的话,那么水蒸汽液化所放出的热会迅速传给表层,而内部由于导热速度的原因,会出现“夹生”问题,因此最好选择隔热蒸,让整体都能缓慢但温和地受热。

需要注意的是,若想要最大程度地保证炸鸡口感,最好用蒸汽直喷的方式来蒸,方才能避免传统隔水蒸导致的顶部蒸汽冷凝变回水珠,水珠再落到炸鸡表面引起的串味问题。更重要的是,直喷式蒸汽能够可以灵活控制蒸汽量,确保食物的每一寸都能接收到足量的蒸汽的“洗礼”,在让内外均匀熟的同时最大程度地保留炸鸡外酥里嫩的上佳口感。

而若要深究炸鸡之所以这么好吃的原因,蒸烤过程中所发生的“美拉德反应”同样功不可没——在加热过程中,食物中的还原糖(如葡萄糖)与蛋白质(包括部分组成蛋白质的氨基酸)会由于受热而发生共同反应,生成大量新的化学物质,包括能给炸鸡赋予诱人棕色外表的大分子物质类黑精,以及诸多能刺激人鼻腔中嗅觉细胞的气体分子,如还原酮、醛和杂环化合物等。

可以说,令人恋恋不忘的炸鸡,其色、香、味三个组成部分,都是拜美拉德反应所赐。

外皮酥脆,肉嫩爆汁▼

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看来,要把一份香脆可口的炸鸡端上大众的餐桌,还需要大量科学理论的帮助,再结合扎实的流程操作才能做到。恐怕很少有人能够意识到,普普通通的一道炸鸡,背后竟也藏着这么多闪闪发亮的科学知识点。

但其实,这也同样是科学的迷人之处。只有尽可能掌握了它,才能更好地为我们的日常生活添光增彩。

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