像我这样聪明的人，也没有哪怕一丝可能在赌场取得胜利吗？| No.320

中科院物理所

总有人不死心
以为赌博就是个运气问题
或者有什么技术可言
可数学家精心设计的游戏
哪有你翻身的余地
今天就用科学告诉你
赌博永远无法胜利
珍爱生命，远离赌博

Q1

科学家是怎么测量头发直径的呢？

by 西窗烛

答：
头发丝的直径是0.01到0.1毫米量级，在科学家们已经洞察到原子尺度层面的当今时代算是轻而易举的事情了。有好几种方法可以用于测量头发的直径。
缠绕法。将头发丝在一个圆柱体上紧密缠绕几十圈，然后测出这几十圈的总长度然后除以圈数。优点，简单快捷；缺点，误差太大.
光学法。利用光的干涉，比如等厚干涉。优点，精密；缺点，需要一定的实验仪器
利用读数显微镜。如今的光学显微镜已经可以轻松放大几十倍，只需要利用读数显微镜就可以轻松得到发丝的直径了。
by 岷客
Q.E.D.

Q2

为啥子水龙头的水柱是上粗下细呢？

by 覃龙

答：
虽然流体力学里有很多奇奇怪怪的不稳定性，但是这个问题着实可以用最简单的定常层流解释。以下内容可以在高中框架下理解。
假设水流出水龙头时的速度一定，为，水龙头的截面积为，那么出口流量就是。在水流的各个高度的截面上，流量应该相等，都是V。由于是在下落过程中速度加快，所以速度v是下落高度h的函数，所以很容易得到面积随高度的变化。很显然h越大，也就是从水龙头开始下降的高度越大，S也就越小。这就是上粗下细。
by 藏痴
Q.E.D.

Q3

如何快速地炸裂一支试管？

by 464NotFound

答：
同学们呀，实验方法千万条，安全第一条
相信大家总听老师上课说，加热固体药剂试管口朝下，试管口不要用塞子塞太紧......
总结一下就是
热胀冷缩类。比如加热固体时试管口朝下预防挥发出的水蒸汽在试管口冷凝后回流导致受热不均匀。类似的还有加热试管时接触到了火焰的内焰，由于内焰温度比外焰低而导致的受热不均匀。
内部气压过高类。有些同学加入了过量的试剂进行反应，如果恰好会反应生成大量气体，再恰好试管瓶口被堵住，内部压强急剧升高，试管就会不幸身亡。
反应类。试管是石英玻璃，主要成分是二氧化硅构成，应避免盛有与二氧化硅反应的化学品。
大力出奇迹类。往往因为不小心振荡试管磕到/碰到，手没抓紧掉地上了.......
再次提醒：实验方法千万条，安全第一条。操作不规范，亲人两行泪！
by 岷客
Q.E.D.

Q4

为什么赌博“十赌九输”？

by 王艺涵ᴵᵃⁿ

答：
其实，应该是“十赌十输”或“逢赌必输”，所以，珍爱生命，远离赌博
我们都曾听说过，再精明的赌徒也永远无法胜过庄家。即使是在大家都不出“老千”的情况下，当一名赌徒走进赌场的时候，也就注定了他会输的一干二净，也就是“赌徒输光定律”。
我们假设一个最公平的投硬币游戏，正面为赢，反面为输，输赢的概率都为50%，从直觉上来看，好像是个公平的概率游戏，因为最终获胜的期望都为50%。
但是我们忽略了一个关键因素——本金。当一个人的本金输光的时候，他也就没有资本来进行后续的游戏了。
假设一个人拥有100的初始本金，每次下注的金额自由，庄家的本金近似认为无限。这个人每次选择下注本金的60%。用一个程序可以模拟这件事情，用随机数1代表获胜，获得本金60%；随机数0代表失败，失去本金的60%
随机数不同得到的结果不尽相同，在我的一轮测试中产生的随机数序列为1001011100，即输赢各五次，最后的本金只剩下10.73元
那你肯定想问，如何下注最好呢？
这就是凯利公式告诉我们的了
F = (bp - q)/b
其中b为盈亏比，p为胜率，q为失败率，F为下注金额占总资产的比例
如果带入上面的抛硬币游戏，可以计算得出F=0
F = 0是什么意思呢？
珍爱生命，远离赌博
by 岷客
Q.E.D.

Q5

通电的导线能否吸引轻小物体？

by 小高

答：
为了说明这个问题，我们先来看一下静电是如何吸引轻小物体的。
物体由分子和原子构成，在静电场的作用下，正电荷中心和负电荷中心发生微小的偏移，大量分子电荷中心偏移后累加的结果就是在宏观上出现了电荷分布，大概就是下图这样
因此带电物体就会对轻小物体产生吸引力。
通电的导线其实是电荷的流动，但是这电场太小了，所以并不会产生明显的吸引轻小物体的现象。相比之下，静电电压就很容易产生，而且高得多，比如人在正常走路的时候就会产生千伏的静电电压，在脱毛衣的时候甚至可以产生上万伏特的电压。（是不是突然感觉一节干电池1.5V的电压好小呀）
by 岷客
Q.E.D.

Q6

电流在导线中，是沿直线传输的（像水流一样），还是螺旋传输的？

by criany

答：
我要回答：都不是❌。
首先带大家回忆一下电流的定义：导体中自由电荷在电场力作用下做有规则的定向运动，正电荷定向流动的方向为电流方向。看到导体两个字了吗，这是重点，我们选取铜这一种典型的导体来解释电流的传输。
铜导线，在忽略杂质的情况下肯定由铜原子组成，铜原子又由外层电子和中子、质子组成，外层电子就是铜导电的关键。那我们把铜电子“单独”的拿出来讲
一根铜导线，红色点是电子|维基百科
在未通电之前，电子在铜导线中是随机不停的运动的，当通完电后，电子就会出现整体前进的动作，也就是电流出现了，如果设导线横截面为A，载流子的浓度为n，漂移速度为v，所带电荷为 q，则电流强度大小就为
在物理中它还有一个炫酷的名字“漂移电流”，与之相关的量就叫做载流子迁移率(根据材料的不同载流子可以分为电子和空穴)。
为什么不能把电流当成水流呢？原因就在于，水管中的水在移动的时候，水管左边的水肯定会流到右边，但是导线中的电子却不能保证从左边运动到右边，只能保证导线中的电子整体在往前漂移！
最后再给大家说一个“冷知识”，能量并不是通过导线内部的电流传输的，而是通过导线束缚周围的电场传输能量
感兴趣的小伙伴可以去看参考资料哦。
参考资料：
电能是什么？它是靠电流输送的吗？也许你全错了！
by justiu
Q.E.D.

Q7

氢弹的反应截面，爆炸当量代表什么？

by img sec

答：
反应截面的物理意义表示：一个粒子入射到单位面积内只含一个靶核的靶子上所发生反应的概率。或者说，表示一个入射粒子同单位面积靶上一个靶核发生反应的概率。在核反应中，就是指中子与原子核发生反应的概率。
反应截面量纲为面积的量纲，但其与原子核面积没啥关系，大多数情况下，反应截面通常小于或等于原子核的横截面积。
反应截面对于我们研究核反应具有重大意义，一方面，通过对各种反应截面行为的分析，人们可以了解核的结构以及入射粒子与靶核之间的相互作用的性质。另一方面，各种反应截面、特别是中子引起的核反应的截面数据，对于核能和核技术的应用有着重大的实际意义，因此截面的测量在核物理实验中占有非常重要的位置。
反应截面定义为反应粒子数/(入射粒子数* 单位面积靶核数)。更具体的推导以及几种典型反应的低激发曲线可以查看参考资料。
至于爆炸当量，其实就是爆炸的能量，用来衡量炸药的爆炸造成的威力相当于多少质量单位的黄色炸药（TNT）爆炸所造成的威力，其中一克的黄色炸药能量为4184J。因此爆炸当量单位为质量单位，通常用kg或t来表示，即爆炸释放的能量相当于多少kg或多少t的炸药。
参考资料：
原子核物理笔记（九）：原子核反应
核反应截面
爆炸当量
by 霜白
Q.E.D.

Q8

双缝干涉实验中是如何发射单个光子的呢？

by rocky

答：
首先，据我所知，单光子双缝干涉实验是一个思想实验，好像没有人真正做过这个实验。我在《费曼物理学讲义》中看到一个单电子双缝干涉实验，不过也是思想实验，有兴趣的同学可以看一下。
我们来讲一下如何发射单光子，发射单光子就需要单光子源，这可是妥妥的高科技，现在单光子源可是量子信息、量子通信的重要角色呢。
最先出现的也是现在比较常用的是激光衰减单光子源，这是一种准单光子源，原理是通过对单模激光器产生的单模激光脉冲进行一定倍率的衰减，直到单个脉冲中所包含的平均光子数小于0．1。这种准单光子源易于操作和控制，但能量损失大、单光子数少、存在多光子成分和大量零光子成分。因此只是准单光子源。
但我们需要的是按需单光子源，指的是根据人们的需要，在任意时间产生单光子源。方法也很多，主要有原子单光子源、量子点单光子源等等。这些方法基本都是利用了两能级结构的共振荧光过程。
这种共振荧光过程类似于激光的产生，不过这里我们只需要得到一个光子，便需要光学腔等装置去控制，原理如下图所示：
当原子吸收特征辐射后，核外电子被激发到较高的能级，当原子退激发到低能级或基态时，便会释放出与激发光波长相同的荧光。将原子耦合到光学腔中，依据Purcell效应，改变腔内空间模式密度便可以增强或抑制自发辐射率并得到所需空间模式的单光子。
像原子单光子源，就是将铷原子耦合到精密光学腔里，单光子输出效率高达89%。
至于其他单光子源，篇幅所限就不介绍了，太难了不想写了，大家感兴趣的可以自行查看参考文献。
参考文献：
[1]张哲.单光子源研究进展分析[J].科技风,2020(12):120.
[2]张革. 常温单光子源的制备与测试[D].北京交通大学,2015.
[3]段兆晨. 高性能单光子源及其量子光学性质[D].中国科学技术大学,2020.
by 霜白
Q.E.D.