如果天氣一直這麼冷下去,我們會變成球形雞?

本文轉載自公眾號：中科院物理所

最近不斷南下的冷空氣，真的是牽動著大家的心啊。

小太陽暖寶寶空調暖氣一起上，也抵不住一波又一波的冷空氣啊！這個冬天這麼冷，我們究竟應該怎麼過！為啥不能讓我們好好迎接新年！假如一直這麼冷下去，地球突然出現全球性的暴風雪，我們又該如何面對？

真空中的球形雞

Spherical Chicken

人類的本質是什麼？鴿子還是複讀機？根據科學家們的觀察，假如每天都來寒潮讓人類在冰天雪地中生活，人類為了活下去大概會長成一個「球形雞」……

不同緯度下生活的熊的體型對比圖 AWRD (Loftwork.com)

根據同一種類恆溫動物體型的變化情況，伯格曼 [1] 總結出了伯格曼法則（Bergmann's rule）——這些動物的體形會隨著生活地區緯度或海拔的增高而變大，比如生活於北極地區的北極熊就比其他地區的熊類體形更龐大。

這背後的機理大概可以這麼理解，單位體積的產熱功率是一定的，如果動物的相對體表面積（即體表面積與動物體積之比）變小，那麼就能更好地保存熱量，適應生活中的寒冷環境。這恰好和身體內的細胞們相反，細胞們因為要最大化和外界的交換效率，所以通常都特別小，保證表面積足夠的大。

細胞結構以及其內部各種各樣的細胞器示意圖 Yasislas

艾倫法則（Allen's Rule）是約耳·阿薩夫·艾倫 [2] 在 1877 年提出的另一個關於溫度對動物體型影響的動物學規則。他認為在恆溫動物中同種的個體或近緣的異種之間，生活在寒冷地區的物種比生活在溫暖地區的物種具有四肢更短，體型更圓的傾向。

生活在低緯度地區的長耳大野兔以及生活在高緯度地區的雪兔，前者的耳朵大得多 Pschemp & D. Gordon E. Robertson

在產熱功率一定的情況下，表面積越小，對應的散熱功率越小，身體也就更容易保暖。假如一個物體具有 8 個單位體積大小，當它排列成 1x2x4 的形狀時，表面積為 28；當它切換成 2x2x2 的立方體形態時，表面積就只有 24 了。

同樣的體積，立方體的表面積比長方體的表面積更小

不說別的，我們現在的身體上就留有我們的祖先幾萬年的和大自然的戰鬥歷史。我們身邊很多人具有的蒙古褶 [3]，就是讓脂肪更好地包裹我們的眼球。

1968 年，Steegmann [4] 就試圖通過實驗驗證在艾倫法則作用下，「蒙古臉」特徵和寒冷環境到底有多大關係。它把作為對照組的大鼠放到 22 攝氏度的環境中，而把作為實驗組的大鼠放到 5 攝氏度的環境中讓它們生存。

最終統計表明鼻腔狹窄，面部較寬，尾巴較短，腿較短的大鼠在寒冷中存活得最好。 比如在北極圈附近生活的愛摩斯基人，他們就具有與艾倫法則相似的形態特徵。

在 2013 年的一項最新研究中 [5]，通過對 263 個居住在某個區域超過 500 年的群體的研究，越靠近北極圈，人們的體重越重，體型也越符合艾倫法則的預期。

一個生活在北歐的薩米人原住民家庭

天寒地凍，科學規律告訴我，把自己進化成一個球才是最正經的禦寒套路。如果來不及進化的話……那隻好先把自己裹成一個球了。

冬天的正確穿衣姿勢 libbyvanderploeg

搓手手有用嗎

Rubbing Your Hands

只要手手搓得足夠快，寒冷就追不上我！

雖然如今的搓手手有很多屬性和意味，不過我們今天只討論它的取暖效率~

平時無論是緊張到搓手手，還是寒冷到搓手手，當感受到溫暖從雙手中逐漸出現的時候，我們確實會從心裡感受到一絲的慰藉。

當然我這裡說的不是蒼蠅的搓手手 [6]，他們是為了清潔身體從而更好地分辨和感受食物，或者吸引異性，我們搓手手則是通過摩擦力做功，變成熱能來取暖。

融化以後在凹槽裡面流動的鋁

關於機械能和熱能的相互轉化，這件我們現在看起來很顯然的事情，在幾百年前可一點都不顯然。當時的人們認為在物質燃燒的時候，會釋放出一種被稱為燃素（Phlogiston）的物質 [7]。

一塊閃閃發光的金屬是怎麼製造出來的？在他們看來就是灰渣和燃素結合，變成金屬；如果把金屬加熱，那麼燃素就都跑了，又變成為灰渣。普利斯特裡關於氧氣的研究推翻了燃素說，建立了熱質說，此理論認為熱是一種稱為熱質（caloric）的物質 [8]，熱質是一種無質量的氣體，物體吸收熱質後溫度會升高，熱質會由溫度高的物體流到溫度低的物體，也可以穿過固體或液體的孔隙中。

上面的理論都不正確。熱質說沒法解釋很多現象，比如摩擦生熱，這仿佛就像憑空變出熱質。直到 1843 年，焦耳提出理論，熱只是一種能量的形式。

怎麼證明呢？用機械能來燒鍋爐就好了~ 焦耳用以下實驗來量測熱和能量單位間的轉換係數－熱功當量：在量熱器中加入水，與外界絕熱。量熱器中有葉片，利用下降的重物帶動葉片旋轉，使葉片及水的溫度上升。

測量對應的機械能和升溫所需的熱量，即可計算熱功當量。後來他將液體由水改為鯨油及水銀，進行並改進實驗達 40 年之久。

焦耳當年所用的測量儀器，圖片來自Aberdeen University Museum

一直到今天，我們在很多時候計算熱量，還是以卡路裡為單位。其定義為在 1 個大氣壓下，將 1 克水提升 1 攝氏度所需要的熱量。焦耳測量的機械能與熱量的換算關係，我們才能把熱量和能量等同起來，1 卡 = 4.2 焦。

繞了一大圈，我們終於回到了搓手手的話題上，正是在前輩科學家不斷的努力之下，我們才終於能夠明白搓手手的時候到底是怎麼把我們的手變暖和的。

其實我們還可以估算一下摩擦生的熱到底有多「熱」——假設一個人的體重為 60 公斤，最大推力約為體重 1/2 左右，為 300N，以此作為兩手之間的壓力大小，摩擦因數取 0.5，摩擦力約為 150N，如果你搓得夠快的話，1s 以內大概可以搓 5 個來回，總路程約為 0.5m，所以最終加熱的瞬時功率可以達到幾十瓦的量級。

當然這樣的計算肯定是高估了，一來無法保持高速摩擦（手要先廢掉），二來摩擦力顯然也沒前面算的那麼大，最後的平均功率能夠有幾瓦就不錯了。

摩擦焊比起以往的焊接更為均勻，也省卻了對金屬表面的處理，以及各種氣氛的保護

關於摩擦的最高境界，大概就是可以摩擦到金屬融化從而進行焊接了……

有必要強調一下，為了最大化搓手手產熱效率，細皮嫩肉這種摩擦因數比較小的搓手手效率肯定不如粗糙的手高。怎麼樣讓雙手不被凍裂，又能保持摩擦因數較大，可能是又一個嶄新的科研問題。

火柴就是利用摩擦生熱來引燃的

所謂蒼蠅蚊子都是肉，在寒冷的冬天裡，能夠有點自己動手就能豐衣足食的熱源，還是知足比較好。

科學地曬太陽

Sunbathing

為了讓身體保持一個較高的溫度，開源節流這兩方面都重要，所以我們身邊一絲的能量都不能放過。我們周圍最方便獲取的，也就是電磁波了。

「坐篝火」 kijek/adamski

無論是最為原始的烤火取暖，還是曬太陽，再到利用電來產熱取暖的「小太陽」，熱輻射都是重要的傳熱方式之一。在熱力學中，如果一個物體能夠吸收外來的全部電磁輻射，並且不會有任何的反射與透射，那這個物體就被稱為黑體。而歷史上正是通過對黑體的研究，揭開了量子物理的神秘面紗。

地球上各地的輻射，圖片來自 wikipedia

雖然黑體完全吸收外來的電磁波，但是它依舊會向外輻射電磁波。稍稍顯得詭譎的一點是，對於任意一個物體，輻射本領 E(υ ,T) 與吸收率 A(υ ,T) 之比是一個與組成物體的物質無關的普適函數——這也就意味著如果一個物體的吸收率越高，那麼它的輻射本領越強。

基爾霍夫證明，輻射本領 E(υ ,T) 與吸收率 A(υ ,T) 之比與物質無關

正是因為黑體會向外輻射，所以雖然名為黑體，但並不意味著它真的是黑的。在室溫下，黑體放出的基本為紅外線，但當溫度越來越高以後，黑體輻射中就出現越來越多的可見光成分。隨著溫度的不斷升高，顏色分別變為紅色，橙色，黃色，白色和藍色。這大概就是傳說中，「五彩斑斕的黑」吧。

不同溫度的黑體輻射對應的光的顏色，也就是我們平時說的色溫 lsgc.com

不過在嚴寒中掙扎的我們，應該也用不上那麼花裡胡哨的東西，老老實實地把自己抹黑，然後躺平曬太陽（接收來自宇宙的電磁波）就好了。

* 參考文獻及連結：

[1] Bergmann C. ?ber die Verh?ltnisse der W?rme?konomie der Thiere zu ihrer Gr?sse. Gottinger Studien: 595– 708.

[2] Allen, Joel Asaph. The influence of Physical conditions in the genesis of species. Radical Review. 1877, 1: 108–140.

[3] www.douban.com/group/topic/86854422

[4] Steegmann, A.T.; Platner, W.S. (January 1968). "Experimental cold modification of cranio-facial morphology". American Journal of Physical Anthropology. 28 (1): 17–30.

[5] Foster F, Collard M (2013) A Reassessment of Bergmann's Rule in Modern Humans. PLoS ONE 8(8): e72269.

[6] www.straightdope.com/columns/read/875/why-flies-rub-their-hands-together-the-untold-story/

[7] https://zh.wikipedia.org/wiki/燃素說

[8] https://zh.wikipedia.org/wiki/熱質說

如需轉載請聯繫原作者