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一年最热为什么不是夏至日？

hi@victor42.work (Victor42) — Wed, 23 Jul 2025 16:54:00 +0000

对中国多数地区而言，夏季最难熬的日子要来了。每年七八月份，是那种中午下楼吃个饭都能掉层皮的酷刑。去年8月底，同事还跟我讨论，为什么夏天要热这么久。同事的理由好像是某个神话传说，细节我不太记得。我脱口而出：“可能因为混凝土吸了大量的热，不给它两三个月它放不完。”

说完立马觉得不对，这回答很符合我们的实际感受，但可能非常不科学。今天就来好好挖一挖这个问题。

我们都知道夏至日是每年6月21日前后，这时候太阳照射北半球时间最久，白天最长，晚上最短。夏至日阳光直射北回归线，北纬23.5度，汕头附近。

理论上，这天我们接收到的太阳辐射能量最多。过了夏至日，太阳直射点开始南移，白天也开始变短。但是，七八月为什么反而更热了呢？

从回南天说起

我们先从一个生活中的现象开始。

如果你住在混凝土建筑里，应该都有这个经历：6月份户外已经开始热起来了，但室内还相当凉快，开着纱门纱窗通风，简直是种享受；到了9月份，户外秋高气爽，一进屋却像一头扎进了烤箱。

尤其在华南地区，五六月份的“回南天”，室外湿热的空气一进屋，就会在冰冷的墙壁和地板上凝结成水珠。这都说明，建筑的温度变化，明显滞后于日照的变化。

我关于混凝土导致了热滞后的猜想，似乎有了一些道理。但很快就被一个更古老的智慧否定了：二十四节气。在没有混凝土的古代，老祖宗们就总结出了热在三伏的规律。

这说明，这种现象远比我们的城市更古老，它的根源在于地球本身。

大地是个保温箱

要理解这个现象，我们得把地球看作一个巨大的保温箱。它表面主要由海洋和陆地构成。

海洋很简单，它就是个巨无霸水缸。水拥有超强的储热能力，能吸收海量热能而自身温度仅上升一点点。

陆地则复杂一些，我们可以把它拆解成三个部分：大地中的水分、岩石土壤和人造建筑。

水分至关重要，是大地吸热的主力，和海洋作用类似。值得注意的是，水在大地中的分布其实只占一小部分，却吸收并储存了大部分的热。

相比之下，岩石和土壤虽然占大部分，却难以长期存储热量。它们比热容比水小，导热也慢。我之前去敦煌鸣沙山玩，表面滚汤的沙，向下挖十几厘米，沙子就凉快了。沙子成分和岩石接近，热量并没有传递并存储到大地深处去。

城市建筑，比如混凝土和柏油路，升温则更加疯狂。它们比热容和土壤岩石差不多，但颜色通常更深。尤其是柏油路，能吸收90%以上的太阳光。而且它们不含水分，无法像湿润的土地那样通过蒸发水分来“出汗降温”。白天它们疯狂吸热，晚上没太阳了，它们白天储存的巨大热量，毫无保留地向外输送，让城市的夜晚也凉快不下来。这就是城市热岛效应的直接原因。

但无论是土壤还是混凝土，都还无法解释一个核心问题：夏至日之后，温度为什么不降反升？

这里，我们需要引入一个漏气气球比喻。把地球看作一个有破洞的气球，太阳辐射往里吹气，地球向太空散热是气从破洞里溜走。

夏至日，吹气速度最大。夏至日之后两个多月，虽然太阳开始有点吹不动了，但进气速度依然大于气体溜走，气球就还在变大。

同理，夏至日之后，地表每天接收的热量虽然开始减少，但依然多于它散发出去的热量。这个巨大的热量库，每天的净收入还是正值，热量还在不停地堆积。直到三伏天的某一日，接收和散发的热量终于达到平衡，地球积攒的总热量才达到顶峰。过了这个顶点，散热大于储热，温度才真正开始下降。

这就像我们常说的碳达峰，你说碳排放达到最高这有什么值得骄傲的？听起来不像是件好事。但因为关心的不是总排放量，而是增速终于转负了，趋势正式开始逆转。

在这个过程中，起决定作用的是水。水，是地球最强的“热量海绵”，能吸收巨量的热量，而自身温度才上升一点点。水的比热容是沙石的4-5倍，这意味着它能用更温和的方式，储存远超大地的热量。

一个地方的昼夜温差，很大程度上就取决于水的存在。植被茂盛的丛林地区，水分充足，昼夜温差小；而干旱的沙漠，则温差极大。

再极端一点，如果地球没有水和大气会怎样？现实中就有个完美的例子——月球。没有水这块“热量海绵”，也没有大气这件“保温外衣”，白天吸多少热，晚上基本上就散多少热。月球表面白天温度可飙升至127℃，夜晚则骤降至-173℃。升温降温如此之快，热滞后现象也将不复存在。

所以，当我们抱怨天气时，别忘了月球的例子。我们脚下这颗星球，因为有了水和大气这两件最温柔的“恒温套装”，才没有变成一个冷热交替的炼狱。它们才是地球能孕育生命的最大奇迹之一。

吹气桶：副热带高压

仅仅靠大地自身的热量积累，还不足以解释三伏天那种令人绝望的酷热。真正的致命一击，来自一位天气预报里的“老熟人”——副热带高压。它到底是什么？是一团气吗？

是，也不是。

想象一个画面，在一条大河中，由于水流的特定模式，在某个位置形成了一个稳定存在的漩涡。漩涡本身仿佛永远不会消失，但它里面的每一个水分子都在不停换新。副热带高压就是地球大气中一个宏伟、稳定的空气漩涡。

对我国影响最大的，是西太平洋副热带高压。它的原料来自赤道。赤道上被晒得滚烫的空气，上升到高空，然后分南北两拨散开。向北的这一拨在高空变冷，下沉，最终划出一道巨大的弧线，在北纬30°左右着陆，形成这个庞大的高压系统。

既然它是一股气流，为什么不会自己散开？

为了理解它的稳定存在，我们可以把它想象成一个无顶无底的吹气桶：

桶顶，赤道的热气上升、偏转、冷却、下降，源源不断灌入桶中。
灌进桶里的空气挤压着桶内空间。挤压处升温，导致桶里空气上热下冷，桶内空气就几乎不会垂直对流。上方的热空气像一个无形的盖子，让空气只进不出。
顶部走不了的气体当然试图水平向四周跑，但是一吹出去就开始向右偏转（北半球科里奥利力），在某个位置刚好弯折90度，顺时针流动形成风墙。内部想要出去的其他气体迎面撞上，阻止风墙气体继续向右偏转指向内部。这两股力量就这么不断合流，增强这道风墙，达到某种平衡构成了桶壁，把大部分气体困在里面。
但这个空气桶壁到了底部，由于与地面摩擦变得没那么结实了，底部会向各个方向漏气，形成信风和西风。

其中“科里奥利力”我们下一章详细讲，你暂时可以先关注风墙。夏天走进商场大门的时候，门口是不是有个空调笔直对着地面吹？明明开着门，但为什么内外是两个世界，这就是风墙的阻隔作用。

这样一来，这个高压气体漩涡才能比较稳定存在。

副热带高压这个“吹气桶”，是个活物，它的形状和位置时刻变化。当它向北扩张，笼罩住你的城市，天气预报就会说该地区正处于副热带高压“控制”之下，非常形象。

想象一下电影《独立日》，外星母舰缓缓破云而出，悬在城市上空——副高带来的就是那样的压迫感。

它主要通过两种方式让你感觉酷热：

下沉气流，万里无云：副高内部，空气是下沉的，地面的热气被死死按在地上，碰不到高处的冷空气，这会抑制云的形成。结果就是晴空万里，太阳毫无遮挡地对你进行物理攻击。
输送水汽，闷热难当：副高常常把热带海洋上空那又热又湿的空气一起打包输送过来。高湿度会让你身上的汗液难以蒸发，人体的散热系统近乎瘫痪，这是魔法攻击。

这里必须注意，大地辐射散热和水蒸发散热，给人的体感是完全不同的。前者是“感热”，后者是“潜热”。

大地通过红外辐射散热，把地里一部分热量散到了你的房子上、你身上、你周围的空气里。大地它是散热了，对你来说，这是加热，也就是夏天傍晚那股子烘烤的感觉。

而水蒸发时，会把大量的“感热”吸收掉，转化成储存在水蒸气分子里的“潜热”。这些热量原本有的在大地上，有的在你身上，忽然好像都凭空消失了，这是真正的凉爽。当然，其实热量没有消失，只是被水蒸气送到九霄云外去了。

所以，在七八月份，同样是夏天，你可能会感受到两种截然不同的热。远离副高只有大地发热时，是一种相对清爽的热，吹着热风骑个车甚至不怎么出汗。副高来袭时，是衣服粘了一身的热，闷热到话都不愿多说一句。

这是两种不同的夏天，一个是青春洋溢的篮球场学长，一个是汗流浃背的找工作社畜。

科里奥利力

现在我们来详细说说科里奥利力，也叫地转偏向力，看看这个维持桶壁的东西是哪里来的。

这个力很神奇，它并不是真实的推力或拉力，而是一种惯性现象。

想象一枚炮弹，要从赤道笔直地飞向北极。可以有两种方式理解科里奥利力。

以地面观察者的视角：

炮弹在赤道起飞时，除了有向北的速度，还因为地球自转，携带了一个巨大的、自西向东的惯性速度（约1670公里/小时）。当它向北飞，到达的纬度越来越高，那里的地面纬度线周长越来越小，自转线速度也越来越慢。但炮弹由于惯性，依然保持着赤道的高速。于是，它会比它下方的地面“跑得快”，整体路线就向东偏了。对于向北飞的炮弹来说，这就是向右偏了。

反之，从北极向赤道飞，炮弹的初始东西向速度为零。当它飞向赤道时，它下方的地面正飞快地向东移动，炮弹“跟不上”，于是就落后了，向西偏。对于向南飞的炮弹来说，这同样是向右偏。

以上帝视角：

你在太空中看，旋转地球让炮弹到侧面去。这时候会发现炮弹在赤道起飞时，它的初始方向不是笔直向上，而是斜上方向你靠近。不考虑地球引力的话，它按理会在太空中沿着这个方向直线前进，但引力在拉扯它，把这条直线像贴透明胶带一样顺着初始方向贴到地球表面，让它走出一条“曲面上的直线”。这个也叫大圆航线，是球面上最短的路线，拿个地球仪贴一下就明白了。炮弹会一路向东北方向去，到达某个高纬度时，它刚好偏转到正东方向，然后再偏向东南，纬度开始下降，回到赤道上。

本来是向北飞的，但是却会在东北方向与北极点擦肩而过，这在地面的人看来不就是往右偏了吗？

所以，科里奥利力不是力，是一种错觉。我们在转，却常常忘了自己在转。直到发现东西没有像我们预想的那样走直线，才意识到有什么不对。

科学史上著名的傅科摆实验，正是利用这个原理证明了地球的自转。而且这也是为什么你看到的大气现象总是各种转圈圈。

不过，等等！较真的朋友应该还能发现新问题。如果炮弹是在某个中纬度地区水平发射出去，南北方向没有任何初速度，它为什么还会偏转？这似乎是不同纬度线速度不同解释不了的。

恭喜你进入了科里奥利力的深水区，你发现了一个重要事实：在物理上，科里奥利力背后不是一个单一物理规律在发挥作用。之前南北方向的偏转主要是角动量守恒搞的鬼，但在东西方向，主要原因是向心力平衡。

先重申一个重要概念：引力≠重力。

引力（F）是因为地球质量产生的，地球转不转都有这个力，它指向地心。向心力（f）只有转起来才有，转越快需要越大的向心力，它垂直指向地球自转轴。这两个力方向不同，从引力中分离掉向心力，剩下的部分是你感受到的重力（mg）。当然，由于引力非常大，向心力与之相比非常小，所以重力的方向和大小都近似于引力。

需要注意的是，引力是固定不变的，而向心力不是物体实际获得的力，它是描述“物体保持这个速度环绕需要多大的力”。

那么，对于一枚炮弹，如果它停着不动，引力不变，引力在向心力方向的分量（后面简称向心分量）提供的向心力刚好足够，它会待在原地。

向东发射，引力不变，但它环绕速度叠加了地球自转速度，比所在纬度快，向心分量提供不了足够的向心力，拉不住它。它有一个向太空飞去的趋势，与向心力方向相反。这个飞出去的趋势可以再分成垂直地表和沿着地表两个方向。垂直地表不影响偏转，但会产生一个有趣的厄缶效应（不能再展开否则没完没了）。我们关心的是炮弹沿地表的运动，它会往纬度更低、能提供更多向心力的地方移动。所以就往南移，向右偏转了。

向西发射，道理一样。只是叠加后速度比所在纬度慢，向心分量有多，有一个把它往自转轴拉的趋势。这个趋势在地表方向上就体现为向北移动，也是向右偏移。

一旦偏离正东西方向，之前的角动量守恒因素也会开始在南北方向上发挥作用，保证炮弹持续偏转下去。

研究到这里，有一种怪怪的感觉。怎么会这样？多个物理规律还能合在一起成为一个新规律吗？套娃呢这是？但数学家不这么看，他们总结出来的科里奥利力公式是这样的：

$$ {\displaystyle {\vec {F_{c}}}=-2m({\vec {\omega }}\times {\vec {v}})} $$

具体不解释了，这个公式能同时涵盖东西方向和南北方向的情况。噢，原来物理中的两件事，到了数学里是同一回事……抱歉，打扰了。

关于科里奥利力就此打住，解释热滞后问题的信息已经足够了。总之，科里奥利力的存在，使得副热带高压能维持住它的桶壁，把高压气体困在内部，形成这种独特的大气现象。

提醒一下，在生活中，科里奥利力的作用不明显。你家马桶或水池的下水漩涡方向，主要是由水池形状和水的初始扰动决定的，和它关系不大。

保温箱与吹气桶的合谋

好了，回到正题，现在我们可以总结了。在夏至日之后，让天气继续热下去的因素有两个：

保温箱：地球热量继续积累。
吹气桶：副热带高压输送的外来热量。

这两个因素哪个影响更大？这就像问一场煤气爆炸，是煤气的责任大，还是点燃的火星的责任大？

大地的储热，尤其是水这个热量海绵，是充斥空气中的煤气。它决定了炎热的基础和时长。一方面，它在初夏把大量的热存了下来，避免了地表温度升高太快，所以夏至日还不算最热。另一方面，它积蓄的热量在七八月达到顶峰，终于让近地表温度产生了显著提升，形成一种石锅拌饭般的烘烤热。

此时，高温烘烤已经像是弥漫在空气中的煤气，就差一个火星。

而副热带高压的湿热暴击，就是那颗致命的火星，让你原地爆炸。这，就是挥之不去的三伏天。

好了，讲这么多，我知道你也没有更凉快一点。我也一样，家里牙膏都是热的。

最后，关于夏天，也许还有个话题你感兴趣。夏天的太阳为什么可以照到北墙？

水为什么能灭火？

hi@victor42.work (Victor42) — Wed, 25 Jun 2025 20:50:00 +0000

偶然想到这个问题，我猜女儿再长大点一定会问。现在先暂停想一想，如果是你，会怎么回答？

认真思考，严肃回答，不许抖机灵拿出这种东西。

这个长篇答案，可能要女儿到中学了才能拿出来用。如果现在就问起来，我也许只能回答：“因为水把东西变冷了，火就烧不下去了。”

但是没关系，因为想知道答案的是我，所以可以继续深究下去。

火是如何存在的

要理解灭火，先要理解火。

中学化学告诉我们，燃烧需要三个要素，构成一个“燃烧三角”：

可燃物：能烧的东西，比如木头、汽油，这些本质上是还原剂。
助燃物：帮助燃烧的东西，通常是空气中的氧气，这些是氧化剂。
引火源：提供最初能量的东西，比如火柴的热量。

三者缺一不可。

顺带一提，助燃物不只有氧气。氢气也可以在氯气中燃烧，许多物质都能在氟气中剧烈燃烧。只是在地球上，氧气是最常见的助燃物。

这个思路很科学：水能灭火，一定是破坏了燃烧三要素中的至少一个。是哪一个？答案先捂着，继续深入。

现在，我们进入化学的微观世界，看看这三个要素是如何“烧起来”的。

这里有个不为人知的事实：液体本身并不燃烧。我们所见的绝大多数燃烧，其主战场都在气体中。

燃烧在微观层面来看，是可燃物的分子和助燃物的分子高速、有效地碰撞，发生剧烈的氧化还原反应，变成其他分子，并放出光和热。要实现高效碰撞，最好的形态就是气体，因为它们充分混合在一起了。你中有我，我中有你。

用一杯汽油做个思想实验。把它放进一个特别的装置，既是冰柜也是烤炉，从接近绝对零度（宇宙最低温）缓慢加热，而且不使用明火：

当温度达到约零下40℃时，汽油分子就开始获得足够能量，从液体表面挥发成气体。汽油蒸气向空气中扩散，离液面近浓度高，反之则低。有这层薄薄的蒸汽在，在上面快速打出一个火星，它就能把汽油蒸气“噗”地一次性烧掉，然后火焰熄灭。这个零下40℃，就是汽油的闪点，从这个温度开始，汽油可以点着火。
继续加热。当温度达到约280℃时，惊人的一幕发生了：即使没有火源，不打火星，汽油自己就猛地一下燃烧起来了，直到全部烧完才灭。这个温度，叫燃点。在燃点的温度，汽油蒸气分子与氧气分子碰撞非常剧烈，汽油分子每碰掉一个，发出的热还能从杯里再蒸发出一个。

发现没？火焰能持续下去的秘诀，是蒸发速度。越热蒸发越快，在燃点温度下，产生蒸气的速度，达到并超过了燃烧消耗的速度。这条燃料补给线一旦建立，燃烧就形成了正反馈，停不下来了。

固体燃烧的特殊性

固体燃烧比液体更复杂。我们用木柴燃烧来做另一个思想实验。

木柴燃烧分两个阶段：

第1阶段：有焰燃烧。

当木柴被点燃，它内部复杂的有机物大分子会分解，这个过程叫热解。热解产生了两种东西：可燃性气体（比如甲烷、一氧化碳）和固态的木炭（接近于碳单质）。

这个过程和液体燃烧很像，只是“蒸发”变成了“热解”。蒸发是物理变化，分子本身没变；热解是化学变化，大分子断裂成了小分子气体。这些可燃气体与空气混合后燃烧，就在木材的周围包了一圈漂亮的火焰。由于受热的气体总是往上跑，所以火焰总是出现在木柴顶端。

第2阶段：无焰灼烧。

当气体烧得差不多了，火焰消失，剩下红彤彤的木炭。此时，有焰燃烧结束了，进入了无焰的灼烧阶段。

这个过程更像冷兵器时代两军交锋。氧气分子是进攻方，直接冲到木炭的固体表面，与表面的碳原子厮杀。反应的产物二氧化碳是气体，它会立刻飞走。下方的、新鲜的碳原子补上锋线。这个过程周而复-复始，直到木炭消耗殆尽。至于灰烬，则是木炭中的一些非碳元素杂质。

木炭这种纯粹的表面燃烧，有一个巨大的优点：稳定可控。

它的放热速率，主要只取决于两个变量：可燃物的表面积和助燃物的供应量。表面积几乎不变，唯一的变量就是氧气量。因此，它的热量输出可以被精确控制，这使它成为一种非常理想的燃料，不仅仅因为热值高。

这种特性有其特殊用途。比如蒸汽火车，锅炉里烧的是煤炭（与木炭类似）。司炉可以通过控制风门的开度，来调节进入炉膛的空气量，从而精确控制燃烧的剧烈程度，进而控制蒸汽的产生和火车的动力。

紫色箭头是废气排出，把橙黄色箭头热气从炉膛里抽过来，炉膛吸进绿色箭头空气。

比风门更巧妙的，是火车烟囱里的喷管，它会将驱动活塞后的废蒸汽高速排入烟囱，利用高速气流产生的负压，将新鲜空气更猛烈地吸入炉膛。这个原理是伯努利方程，流体（气体或液体）流速越快，压力越小，它周围的气体或液体，就会因为这边是压力小的“软柿子”向这边挤过来。喷管越喷，抽风约猛，炉膛里进氧气越快，火烧得越旺，产生更多蒸气。这是一个绝妙的正反馈循环。

那么，如果可燃物和助燃物都是固体呢？有这样的燃烧吗？

有，最典型的就是铝热反应。把铝粉（可燃物）和氧化铁粉（助燃物）混合，用高温点燃。铝会直接从氧化铁那里夺取氧原子，这个固-固反应释放的温度高达2500℃，足以把生成的铁熔化成液体。液态铁的存在，让粉末流动起来，极大地促进了两种分子的持续接触，使反应得以继续下去。

再极端一点，如果不提供助燃物，只对固态可燃物强力加热会怎样？

它只会热解，而不会燃烧。这是现代化工的重要一环。比如将煤隔绝空气加热（干馏），就能得到三种重要的工业原料：焦炭（用于炼钢）、煤焦油（化工原料）和煤气（燃料）。

现在回到一个根本问题：为什么木炭能有这种纯粹的表面燃烧方式，而液体燃料没有？这源于物质在分子层面的本质不同。

气体分子，像游泳池里的一堆玩具鸭，随机飘荡，自由碰撞。

液体分子，像一堆巴克球，被微弱的力聚在一起，但可以相互滑动。这点力很容易被热量克服，使它们“蒸发”，四散逃离。

固体分子（如碳），则像一座榫卯结构的建筑。每个原子都被强大的化学键锁死在原地。燃烧的热量远不足以拆散这个结构，原子无法逃逸成气体，只能留在原地，进行表面反应。比如碳的燃点就几百度，而升华点（气化温度）则高达3600度，真有那个气化温度，早就烧光了。

燃烧的本质

现在，有没有发现“燃烧三要素”这个说法有点可疑，似乎太笼统了。短暂燃烧和持续燃烧的条件并不相同。

短暂燃烧：需要可燃物、助燃物、达到蒸发/热解的温度、以及一个外部引火源。
持续燃烧：需要可燃物、助燃物、以及达到燃点的温度。

燃烧三角模型无法解释火焰为何能持续。于是科学家提出了“燃烧四面体”，增加了第四个因素：不受抑制的链式反应。

一旦燃烧开始，助燃剂分子与可燃物分子大量撞击，变成别的分子，放出热。但这还不是链式反应最厉害的地方。

除了完整分子相互碰撞，还有许多“碎片”分子参与反应。这些东西叫自由基，是在先前的剧烈碰撞中缺胳膊少腿的分子。有的电子被撞掉了一个，有的脸上糊着别人掉落的多余电子。自由基是饿狼，会疯狂攻击其他分子，试图恢复完整的状态。这反而加剧碰撞，产生更多热量和更多自由基。

这个过程像滚雪球一样自我复制、自我放大。这才是“火”最可怕也最伟大的地方。人类学会用火，力量不在于面对猛兽时一根火把的温度有多高。而在于这种四两拨千斤的力量，一把火可以把一片草原烤熟，捡完遍地食物还能垦成农田。这压倒了其他任何物种的身体力量。

另一个我们熟知的链式反应，是原子弹。

既然说到了原子弹，爆炸又是什么？是短暂燃烧还是持续燃烧？

（化学）爆炸通常归为短暂燃烧。环境温度达到闪点的情况下，空气中积累了足够多的气体可燃物，然后遇到一个局部温度达到燃点的引火源，引发了极快的链式反应。爆炸的积累阶段，环境温度会保持在燃点以下，否则还没等积累完成，自己就先烧完了。

答案揭晓

总结一下微观的燃烧过程：

气态可燃物：最直接，与助燃物混合即可燃烧。
液态可燃物：必须先蒸发成气体。
固态可燃物：大多需要先热解成气体（有焰燃烧），剩下的再进行表面燃烧（无焰灼烧）。

可以看到，除了少数特例，绝大多数燃烧都殊途同归，将战场转移到了气体中。

现在，我们终于可以回答最初的问题。水，到底是如何灭火的？它精准地攻击了“燃烧四面体”的哪个面：

攻击“热量”（冷却）：这是水最主要的作用。水拥有极高的气化热，1克水变成水蒸气，需要吸收约2260焦耳的热量。要知道，这个能量大概可以把100斤的人提起来4米多高。当水泼向火时，它会疯狂吸热，热量蒸不出那么多气体可燃物了，链式反应中断。
攻击“助燃物”（窒息）：相对次要多因素。水蒸发产生的巨量水蒸气，体积会膨胀上千倍。这些水蒸气驱赶走氧气，燃烧停止。

当然，并非所有火都能用水灭：

电器火灾：水能导电，可能导致触电或设备短路。
油类火灾：油比水轻，会浮在水面上，随水流淌，反而四下蔓延。
活泼金属火灾：如钾、钠、镁等，它们会与水发生化学反应，生成易燃的氢气，等于火上浇油。

说到底，水灭火最主要的原因，依然是它强大的冷却能力。这和开头的答案一样。

但有趣的是中间的探索过程。不假思索的答案，和历经探索得到的答案，其分量是完全不一样的。

要是我中学时能认识现在的自己，可能化学不至于不及格了。

洗碗机里的比热实验

hi@victor42.work (Victor42) — Thu, 09 Feb 2023 09:58:00 +0000

比热容，孩子家长们，有多少人还记得这个物理名词？记得它的含义？

如果你家有洗碗机，恭喜你，在家就可以做个实验，让你和小孩对这个物理概念过目不忘。

实验过程很简单，把大小相近的陶瓷碗、玻璃碗（非必须）、不锈钢碗、塑料碗放进洗碗机，正常洗一遍就好。洗完后第一时间开盖，观察各种碗上的水滴蒸发情况，是不是都能蒸发完？谁快谁慢？

实验结果很可能是陶瓷和玻璃碗先干，金属和塑料甚至都干不透，还挂着水珠，尤其在冷天里。这就和这几种碗的比热容有关系。

陶瓷和玻璃可以近似看作同一种材料，它们的比热比不锈钢大。比热在教科书上的定义是：单位质量的某种物质升高或下降单位温度所吸收或放出的热量。是不是很抽象？我换个不太严谨但在日常生活中也不会错的说法，就是同样重量，在同样的温度下，陶瓷和玻璃能够存储的热量比不锈钢多。

具体过程是这样的：

洗碗机用大量滚烫的水，把各种碗都浇到烫手的程度。虽然不同材料温度上升速度不同，但由于水量够大，洗的时间够长，最终一定都会上升到同样的温度。
开盖后，烫手的碗开始利用余热把表面水滴蒸干。简单来看，只有表面接触水滴的部分，热量会用来蒸发，直接接触空气的部分，热量就散失掉了。
水滴在各种碗表面的分布相差不大。我们可以近似认为，每种碗表面覆盖水滴的比例都是一样的。
碗从烫手降到室温，洗碗过程中存进去的热量也就释放完了。陶瓷和玻璃释放了相当多的热量，把表面的水都蒸干了。金属本身就没有存下很多热，即使都释放完，也还挂着水珠。

我这个描述其实有两个漏洞，先讲第一个，忽略了重量。但巧的是，同样大小的碗，陶瓷和玻璃通常都是最重的。因为这两种材料薄了容易碎，所以往往很厚重。而不锈钢虽然密度比陶瓷更大，但它不容易破，可以做得很薄，因此同等大小情况下反而比陶瓷碗更轻。这一重一轻，储存热量的差距进一步拉大。

第二个漏洞，忽略了散热速度。我们知道金属导热速度比陶瓷要快得多，这也是为什么金属锅煲汤没有砂锅煲汤好喝，这是另外一个问题，不展开讲。导热速度快会怎么样呢？热量被水滴挡住不容易跑，当然哪里容易往哪跑。虽然表面覆盖水的比例一样，但导热快的不锈钢会有更多热量从接触空气的部分溜走，实际没有多少用来蒸干水滴。水还没干，不锈钢就早早降到室温了。这一慢一快，实际有效的热量，差距继续拉大。

于是就造成了两者实验结果有如此大的悬殊。

但为什么我一直没有提塑料碗？这是一个非常混淆视听的存在。塑料的比热甚至比陶瓷还要大，但它实在是密度太小，整个重量比前两种碗轻得不止一点点。在重量的差距面前，其他因素几乎可以不考虑了，就塑料碗存下的那么一丁点热量，也不足以蒸干水滴。

最后补充个小提示：这个实验受季节影响较大，如果实验结果看不出什么差别，那就试着10分钟后再开盖，20分钟后再开盖……以此类推，用闷在洗碗机里的湿气来降低整体蒸发速度，直到不同材料表现出区别。

夏天太阳为什么能照到北墙？

hi@victor42.work (Victor42) — Tue, 28 Jun 2022 14:18:00 +0000

小时候问过一个问题，为什么到夏天的时候，家里朝北的墙也会被太阳照到？不记得谁告诉过我，因为房子造得方位不够正，侧了一点点。即便是初中就学会了验证这一说法所需的全部知识，在认真思考之前，我信了好多年。

你觉得太阳从日出到日落，在天空是如何移动的？从正东方升起，中午划过头顶正上方，然后从正西方落下去？这么想很正常，因为从来没有一本教材深入探讨过这个问题。

只要基本的地理知识，做个思想实验，立刻真相大白：

先假设你住在赤道附近，就比如新加坡吧，你家房子方向非常正。春分和秋分日，太阳直射赤道。这一天的太阳，就如理想情况那样移动，标准的东升西落。正午时刻，你家房子基本没有影子。
现在你搬到了北回归线附近，住在汕头，房子是精确的坐北朝南。这一天是夏至日，正午时刻，太阳也直射房顶，和春分秋分日的新加坡一样。但是过了正午呢？倾斜着旋转可能不太好想象，我们可以拆分成3步：先把地球立起来，转到春分秋分的角度；再从中午转到傍晚，你家刚好转到了晨昏线上；最后把地球倒下去，让北回归线正对太阳。现在，专注想象第2步，坐北朝南的房子，在春分秋分日傍晚时分，阳光应该全部直射西墙。再继续第3步，北半球的房子，地球一倾斜，北墙就露出来了，就能晒到太阳。有趣的是，对于北回归线上的房子，在夏至日这天，阳光能照到北墙，却完全照不到南墙。
现在回到你真正的家，绝大多数中国居民都住在北回归线以北，以南的居民请想象一座北方城市。仍然是夏至日，正午时刻，阳光主要照射屋顶，但会有部分的阳光斜斜照在南墙上。再用之前的3步法把你家转到黄昏时分：立起来，更多阳光照射南墙；转到晨昏线，全部阳光直射西墙；倒下去，北墙露出来，晒到太阳。

所以，即使房子横平竖直，到了夏天北墙就是能照到阳光，北极圈内的房子都能！

那么再反过来以地球为中心，理解太阳在天空中的运动。夏天时它的轨迹往往是这样的：从东偏北方向升起，斜着移动，中午移到头顶偏南，再从西偏北方向落下。北回归线南北都会有这样的轨迹，只是天数多或少的区别。

由于地理原因，中国地区习以为常的事情，到了赤道附近可能就完全不同。我特意看了下新加坡房产，户型图没有一个标明了东南西北。如果依照较为强势的北半球文化标准，默认上面是北的话，那主卧朝哪个方向的都有。我们在乎南北大多是出于光照考虑，而在赤道地区，东南西北并不重要。阳光上半年晒北墙，下半年晒南墙，就看你想哪半年凉快了。

摩擦力的真相

hi@victor42.work (Victor42) — Wed, 20 Jan 2021 12:05:00 +0000

摩擦力并不是一个严谨的物理概念，而是被中学课本简化了的好几种物理现象的综合。

在中学物理中，摩擦力只与两个因素有关：接触面粗糙程度、垂直接触面方向施加的压力。与接触面积大小无关。

虽然这个结果在一些情况下正确，但它并不能让人理解摩擦力的真正原理，甚至会误导。实际上，平行于接触面方向的阻力并不存在。绝对光滑的理想物体完全没有摩擦力，这就已经能说明这一点。

真正阻碍物体运动的，是把它推离接触面的抬升力。自然界物体表面都是粗糙的，两个接触物体会像齿轮一样嵌合在一起（当然不会那么紧密）。平均地看，接触面可以近似于N个形状与面积完全相同的小斜面，上方的物体则可以看做N个垂直摆放的小牙签，每个对应一个小斜面。想象一下活字印刷。

要移动上方物体，本质上是要把每一个小牙签推上斜面，抬高之后它才能越过斜面的顶端向前移动，这就要克服小牙签自身的重力。重力可以分解为一个沿斜面下滑的力，一个垂直于斜面把它压紧的力。而拉力可以分解为一个沿斜面上移的力，一个也是垂直于斜面把它压紧的力。压紧的力总是会获得等大的反作用力，在这里不重要。而拉力只有使得沿斜面上移的力大于下滑的力，才能使物体动起来。这才是摩擦力的根源。

因此，摩擦力并不是与接触面积无关。毕竟接触面积大了，会有更多的小斜面，N增大了。但是中学物理讨论的是，把上面的物体立着摆变为躺着摆，摩擦力不会变。这是因为N增大的同时，每根小牙签变矮了，重力变小，沿斜面下滑的力的分量也变小，拉动每一根小牙签需要的力也变小。这一大一小，数学上抵消了，导致摩擦力不变的结果。

但如果因为这个结果，就认为摩擦力与面积无关，是一种误导。实际上，日常生活的种种现象就在告诉你，面积大摩擦力确实更大。

读了两篇文章，揭示了摩擦力的真相。 https://zhuanlan.zhihu.com/p/22165913 https://www.guokr.com/article/459070

许多人想当然认为，手指的指纹为了增加摩擦力，更好抓握物体。结果正确，但原理不是你想的那样。实际上指纹的沟壑无法接触到物体，反而减少了接触面积，在同等按压力道的情况下，无指纹的手指理论上拿得更稳。那指纹的意义何在？

因为手指采用了另一种方式增加摩擦力：出汗。出汗能软化皮肤表面的角质层，软化了贴合更紧密，像齿轮一样。也就是在面积不变的情况下，增加了小斜面的数量。

当然，汗太多也滑。常识告诉我们湿手很难拧开水果罐头。所以接触面的湿度是有个最佳值的，超过了也会降低摩擦力。而指纹的沟壑则为排除多余水分提供了条件。

摩擦，这么常见的现象。中学与它打了6年的交道，做过无数把小滑块摆在桌上、放在斜坡上、按在墙上甚至顶在天花板上的题。但没有一道题跟你讨论过，摩擦力到底是怎么产生的。

躲好镰刀！

hi@victor42.work (Victor42) — Fri, 25 Dec 2020 11:02:57 +0000

讲个事情，大家感受一下世界对你的恶意。

之前看到家用微电流美容仪的广告，老婆说想买。这玩意跟我没什么关系，从来没关注过。那天不知道怎么回事，就想看看这玩意怎么个原理，微电流怎么就能美容了。仔细读了商品详情，说微电流有助于刺激皮肤深层组织产生更多胶原蛋白，使皮肤变紧致Q弹，只字不提原理。

好嘛，你不告诉我我自己查。去Google Scholar上搜了下学术论文，用electric current collagen（电流、胶原蛋白）这几个关键词搜的。从标题看，与这个话题明显有关的其实不多。读了其中的几篇，大家的研究成果基本可以总结如下：

在小鼠身上做手术，微电流刺激可以加速生成胶原蛋白，促进手术创口的愈合，修复皮肤的破损部分。这个方法有望用于治疗一些皮肤疾病，可以作为一种非侵入式疗法，一定程度代替现有的化学治疗。

学术论文就说到此为止了。好，现在想想。广告说的和这是一回事么？微电流加速创口愈合，可没说对你完好无损的皮肤还有用。人体的愈合能力虽然还挺强，不过是有限度的，长好了就不会再额外长。不然无限制增生，我们早就长成一个个大肉球了。

论文里确实提到了“skin problem”这个词，就是这个模棱两可的词，让人可以大做文章。人家的skin problem指的是疾病和创伤，你倒好，衰老都能算了是吧？衰老如果是个问题，那我还觉得排泄麻烦呢？有没有产品可以解决我这个问题？

最后，事情结果是老婆把这4000多的美容仪退了。

这里我不是想骂美容仪什么的。只要有人爱买，你卖你的，我也不想管。但是我们应该以一个什么样的态度对待这个商业世界，对待满天飞的广告卖点，这是个值得自省的问题。

我觉得对待广告里的所谓“知识”有3条原则：

对于完全不了解的领域，优先选择不信。说真的广告里没有多少真实可靠的知识，统统不信错杀不了多少。
对于一知半解的领域，有兴趣就了解下，毕竟也是个学习机会。没兴趣就参照第1条。
对于熟悉的领域，有责任指出其中的虚假信息，防止亲朋好友交智商税。不认识的人我就管不着了。

回头看看这些商业广告，尤其食品和健康领域。你有没有见过哪家食品广告的卖点是“就是好吃”？不附加点什么功效都不好意思出来见人吧。更有甚者，产品本身的功能就是一个虚假功效，这更多出现在健康领域。如果按照这些满嘴跑火车的所谓“知识”活着，要说很大的害处嘛倒也没有，无非是瘪了钱包，累了心。

我认识的一个境界远高于我的人跟我说过：“世界很残酷，你以为生活和平安稳，其实身边都是镰刀，一个不小心就割你一刀。”

关于分辨颜色的视觉实验

hi@victor42.work (Victor42) — Fri, 13 Mar 2020 14:52:00 +0000

在家就可以做一个简单的视觉实验。

创造一个黑暗的房间，夜晚关灯后就可以。房间里总有些电器带有各种颜色的小灯，比如昨晚公差住酒店，天花板上的烟雾报警器一直闪着红光。

等眼睛适应了黑暗的环境后，直视小灯。然后视线逐渐移开，用余光观察小灯。直到发现小灯变成白光。

这是因为视网膜上有两种感光细胞：视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞能感受光的颜色，主要分布在视网膜中央凹，影响视野中央的画面；视杆细胞能感受光的强弱，但无法分辨颜色，视网膜外围分布较多，影响余光看到的画面。因此在黑暗的环境中，当小灯移出视野中央，我们便无法再分辨它的颜色。

实验还有第二部分。直视小灯，眯眼，直到小灯变成白光。而且在这个过程中间，你一定会发现某个中间状态，好像说不清它到底带不带颜色。

这是因为视锥细胞的活跃度会受环境影响。越是眯眼，视网膜上的光通量越小。在黑暗的环境中，人眼的视锥细胞会降低活跃度。光线暗到一定程度，就完全由视杆细胞来接受光线了。此时我们的视觉能力便与全色盲没有差别，完全分辨不了颜色。

能量守恒的发现

hi@victor42.work (Victor42) — Fri, 13 Mar 2020 14:51:00 +0000

读到了一个相当精彩的科学史故事。能量守恒我们都知道，能量在各种形式之间来回转换，不会消失。但是这个规律的发现过程，其实非常振奋人心。

最先被发现的是机械能的守恒。比如荡秋千，势能变动能，动能变势能。通过实验观测和计算，科学家发现，在这个过程中能量保持恒定。

随后登场的是热能。当时人们已经知道质量守恒，却不知道热到底为何物。有种理论认为热也是一种物质。它不占空间，能在不同的物体间流动。用这个理论可以解释一些常见现象，比如冷热水混合。热水里的热质流了一些到冷水里，变成了一杯温水。

但如果是摩擦生热，只要不断摩擦，就会越来越热。如此看来，热质好像又是凭空出现的。这才让人注意到做机械功和热量的关系。经过了精确的实验和计算，衡量能量转换时的效率。科学界最终认定，机械能和热能的转换过程中，能量也是恒定不变的。

又在差不多的时期，生物学家提出，动物的体温和运动的能量来自食物中的化学能。化学家也来助攻，证明了化学变化的过程中能量是守恒的。

还有就是电磁学。楞次在研究通电导线变热的现象时，发现导线的热量取决于电流的平方、电阻和通电时长。这就是焦耳楞次定律。计算发现，在这个变化中，电能到热能的转换也是守恒的。

这些几乎都是前后脚发生的事情。各个领域完成了自己的拼图，凑在一块才让世人茅塞顿开，原来能量是这么一回事。就像是许多魔法师合力催动法阵，开启了一扇通往新世界的传送门。门对面流光溢彩，令人叹为观止。

关于回音的无厘头研究

hi@victor42.work (Victor42) — Mon, 09 May 2016 12:14:46 +0000

做了一个很没营养的研究，思考了回音吐槽在真实情况下的声音环境。

自制《失控》活系统

hi@victor42.work (Victor42) — Thu, 30 Jan 2014 15:00:00 +0000

重温了一遍《失控》和《科技想要什么》，凯文·凯利（以下简称KK）对于世界的理解只能用震撼来形容。这两本书都没法一口气读完，信息量太大，需要慢慢思考消化。我甚至有种感觉，书里的观点本身，也像他所描绘的活系统那样，彼此纠葛高度关联，形成一个活物。

书中的观点我就不重复了，一言难尽。受《失控》的启发，决定自己制作一个混沌系统，设定随机的初始值，观察它最终的结果。为此我花半天时间写了个小程序，模拟KK描述的活系统模型。说实话，若不是真正运行起来，我完全猜不到它最终的结果。大家可以进来玩一下，不过建议用chrome浏览器，或者双核浏览器的极速模式，我没有做浏览器兼容。

介绍一下小程序的工作原理：设定行列数，自动产生随机矩阵，矩阵在各个方向上首尾相连，没有中心。两种颜色的点随机分布，但每种颜色数量相等（要保证点的总数为偶数，才能实现这一点）。通过一次次演化，观察它的最终结果。演化的规则，是每个点各自取周围几层组成方阵，选择其中数量较多的颜色，作为演化后的结果。（例如关联层数设为2，就会取每个点周围两层构成一个5×5的方阵，这25个点里哪种颜色更多，就是方阵中心点演化后的颜色。）所有点的演化同时发生，没有先后顺序。

该系统复合KK描述的分布式系统的4个特点：

没有强制性的中心控
次级单位具有自治的特
次级单位之间彼此高度连
点对点的影响通过网络形成了非线性因果关系

实验的目的，就是让大量相同个体组成没有中心的集群，通过个体无目的简单变化，观察整体的“涌现”现象。这是《失控》第二章的主要内容，想简单了解的话请搜索“蜂群思维”。

默认是10行20列，关联层数为1。一次次点击手动演化，最终图形趋于稳定，不再发生变化。多点几次随机演化，发现每次得到的最终图形都不一样。印证了两点：活系统对初始条件及其敏感，活系统的最终结果是无法预测的。

我加大关联层数，这个指标的具体说明在小程序里有。简单的说，它代表的是个体之间的关联与相互影响的程度。关联层数越大，整体的社会化程度就越高。

这次无论是通过手动演化还是随机演化，得到的图形要规则得多。甚至出现这样横平竖直的图形，分为两大集团相互对峙。是不是很像人类文明的发展史？到这一步，国家诞生了。

我再将矩阵增大到20×30，个体的数量由200变成600，数量增加会对整体产生什么影响？

与之前差别不大，不过这里有个值得一提的现象。我试着在20×30的状态下，把关联层数改回1，这意味着个体之间的影响被削弱了，得到的图形中经常会产生孤岛。

将关联层数再改成3，继续演化，孤岛被消灭了。想想这像什么？流言的产生与传播！在如今这个彼此高度关联的信息化社会，有多少伪科学成了大家的“常识”？我们没有可靠的科学标准，因为商业炒作与营销，正在极力把我们往无知的悬崖外面推。这时候唯一可信赖的就是亲人朋友，虽然他们掌握的信息也未必是正确的。

结果还是一样，相当一部分人相信仙人掌能吸收辐射，相当一部分人在极力避免某些不存在的食物相克。真正有科学精神的普通人，他们的关联层数或许相当于1。但在这个流言满天飞的时代，没有精力去逐个考证，或多或少都会吸收错误观点，某种程度上来说，还是被消灭了。

流言，这就是信息时代的副产品，与之相生相伴，因为信息社会本身就是个巨大的混沌系统。

我继续疯狂地点击着随机演化，设想中的一幕终于出现了——单色的结果！

原来仅仅增加数量，是可以使整体发生质变的，这也正是蜂群思维的核心思想之一。成百上千的蜜蜂聚在一起，整个蜂群的行为不再是个体相加，它具备了自主意识，它活了！

数量相同的两种颜色，分布都是随机的，竟然能产生单色的结果。仔细一想，还存在一些更加匪夷所思的稳定状态，例如两种颜色交错构成网状，只是我无法找到形成它的初始条件，所以只能停留在理论上。

这个局面这就意味着整体在某方面达成了一致。当然这种效应可能是高效的，也可能是灾难性的，取决于如何利用它。由此可以发散出很多类似的事情：鸟群迁徙，音乐的创作，科学体系的形成。当然，也有物种大灭绝，道德沦陷及新价值观的产生，机械文明统治世界之类……似乎有不少是我们不想看到的结果。

但以上是任由其发展的状态，由于混沌系统的结果不可预知性，也无法从外部进行干预，我们失去了对它的控制力。但如果我们对初始条件加以控制，人为地使它倾向于某种结果，就能制造出容错率极高的产品，例如科幻小说中出现的神经网络计算机。

所以KK对未来世界的畅想，有一个最基本的准则：未来将是生命与机械高度融合的世界。此处的生命与机械的定义需要扩展一下，生命指混沌状态的活系统，机械指按照可知的固定规则运转的系统。合理取用两者的优点，人类能为自己创造一个难以想象的新世界。但与此同时，我们应该转变观念，放开我们对世间万物绝对掌控的执念，对科技，对社会，也对思想。因为这些事物本身也是活的。