这个冬天咋这么冷，为啥不能让我们好好跨个年_风闻

原创：中科院物理所

最近不断南下的冷空气

真的是牵动着大家的心啊

看着最近一波的天气图，小编的心情是这样的 😭😭😭，真实地体验了一把如入冰窖的感觉。

来自中国天气网

小太阳暖宝宝空调暖气一起上，也抵不住一波又一波的冷空气啊！这个冬天这么冷，我们究竟应该怎么过！为啥不能让我们好好跨个年！假如一直这么冷下去，地球突然出现全球性的暴风雪，我们又该如何面对？

全球进入寒冬，人类的文明该如何延续下去？图片为 Frostpunk 截图

真空中的球形鸡

Spherical Chicken

人类的本质是什么？鸽子还是复读机？根据科学家们的观察，假如每天都来寒潮让人类在冰天雪地中生活，人类为了活下去大概会长成一个**「球形鸡」**……

不同纬度下生活的熊的体型对比图 © AWRD (Loftwork.com)

根据同一种类恒温动物体型的变化情况，伯格曼 [1] 总结出了伯格曼法则（Bergmann’s rule）——这些动物的体形会随着生活地区纬度或海拔的增高而变大，比如生活于北极地区的北极熊就比其他地区的熊类体形更庞大。这背后的机理大概可以这么理解，单位体积的产热功率是一定的，如果动物的相对体表面积（即体表面积与动物体积之比）变小，那么就能更好地保存热量，适应生活中的寒冷环境。这恰好和身体内的细胞们相反，细胞们因为要最大化和外界的交换效率，所以通常都特别小，保证表面积足够的大。

细胞结构以及其内部各种各样的细胞器示意图 © Yasislas

艾伦法则（Allen’s Rule）是约耳·阿萨夫·艾伦 [2] 在 1877 年提出的另一个关于温度对动物体型影响的动物学规则。他认为在恒温动物中同种的个体或近缘的异种之间，生活在寒冷地区的物种比生活在温暖地区的物种具有四肢更短，体型更圆的倾向。

生活在低纬度地区的长耳大野兔以及生活在高纬度地区的雪兔，前者的耳朵大得多 © Pschemp & © D. Gordon E. Robertson

**在产热功率一定的情况下，表面积越小，对应的散热功率越小，身体也就更容易保暖。**假如一个物体具有 8 个单位体积大小，当它排列成 1x2x4 的形状时，表面积为 28；当它切换成 2x2x2 的立方体形态时，表面积就只有 24 了。

同样的体积，立方体的表面积比长方体的表面积更小

不说别的，我们现在的身体上就留有我们的祖先几万年的和大自然的战斗历史。我们身边很多人具有的蒙古褶 [3]，就是让脂肪更好地包裹我们的眼球。1968 年，Steegmann [4] 就试图通过实验验证在艾伦法则作用下，「蒙古脸」特征和寒冷环境到底有多大关系。它把作为对照组的大鼠放到 22 摄氏度的环境中，而把作为实验组的大鼠放到 5 摄氏度的环境中让它们生存。最终统计表明鼻腔狭窄，面部较宽，尾巴较短，腿较短的大鼠在寒冷中存活得最好。 比如在北极圈附近生活的爱摩斯基人，他们就具有与艾伦法则相似的形态特征。在 2013 年的一项最新研究中 [5]，通过对 263 个居住在某个区域超过 500 年的群体的研究，越靠近北极圈，人们的体重越重，体型也越符合艾伦法则的预期。

一个生活在北欧的萨米人原住民家庭

天寒地冻，科学规律告诉我，把自己进化成一个球才是最正经的御寒套路。如果来不及进化的话……那只好先把自己裹成一个球了。

冬天的正确穿衣姿势 © libbyvanderploeg

搓手手有用吗

Rubbing Your Hands

只要手手搓得足够快，寒冷就追不上我！

虽然如今的搓手手有很多属性和意味，不过我们今天只讨论它的取暖效率~

平时无论是紧张到搓手手，还是寒冷到搓手手，当感受到温暖从双手中逐渐出现的时候，我们确实会从心里感受到一丝的慰藉。当然我这里说的不是苍蝇的搓手手 [6]，他们是为了清洁身体从而更好地分辨和感受食物，或者吸引异性，我们搓手手则是通过摩擦力做功，变成热能来取暖。

融化以后在凹槽里面流动的铝

关于机械能和热能的相互转化，这件我们现在看起来很显然的事情，在几百年前可一点都不显然。当时的人们认为在物质燃烧的时候，会释放出一种被称为燃素（Phlogiston）的物质 [7]。一块闪闪发光的金属是怎么制造出来的？在他们看来就是灰渣和燃素结合，变成金属；如果把金属加热，那么燃素就都跑了，又变成为灰渣。普利斯特里关于氧气的研究推翻了燃素说，建立了热质说，此理论认为热是一种称为热质（caloric）的物质 [8]，热质是一种无质量的气体，物体吸收热质后温度会升高，热质会由温度高的物体流到温度低的物体，也可以穿过固体或液体的孔隙中。

硬核少年野外利用手钻来钻木取火，由于当时将热质说视为和分子运动论等效的理论，因此对摩擦生热这一现象并未视为对热质说的威胁

**上面的理论都不正确。**热质说没法解释很多现象，比如摩擦生热，这仿佛就像凭空变出热质。直到 1843 年，焦耳提出理论，热只是一种能量的形式。怎么证明呢？用机械能来烧锅炉就好了~ 焦耳用以下实验来量测热和能量单位间的转换系数－热功当量：在量热器中加入水，与外界绝热。量热器中有叶片，利用下降的重物带动叶片旋转，使叶片及水的温度上升。测量对应的机械能和升温所需的热量，即可计算热功当量。后来他将液体由水改为鲸油及水银，进行并改进实验达 40 年之久。

焦耳当年所用的测量仪器，图片来自Aberdeen University Museum

此处应该有燃烧我的卡路里背景音乐出没

一直到今天，我们在很多时候计算热量，还是以卡路里为单位。其定义为在 1 个大气压下，将 1 克水提升 1 摄氏度所需要的热量。焦耳测量的机械能与热量的换算关系，我们才能把热量和能量等同起来，1 卡 = 4.2 焦。

汽车版搓手手，不过这时候人们一般并不想它发热……

绕了一大圈，我们终于回到了搓手手的话题上，正是在前辈科学家不断的努力之下，我们才终于能够明白搓手手的时候到底是怎么把我们的手变暖和的。其实我们还可以估算一下摩擦生的热到底有多「热」——假设一个人的体重为 60 公斤，最大推力约为体重 1/2 左右，为 300N，以此作为两手之间的压力大小，摩擦因数取 0.5，摩擦力约为 150N，如果你搓得够快的话，1s 以内大概可以搓 5 个来回，总路程约为 0.5m，所以最终加热的瞬时功率可以达到几十瓦的量级。当然这样的计算肯定是高估了，一来无法保持高速摩擦（手要先废掉），二来摩擦力显然也没前面算的那么大，最后的平均功率能够有几瓦就不错了。

摩擦焊比起以往的焊接更为均匀，也省却了对金属表面的处理，以及各种气氛的保护

关于摩擦的最高境界，大概就是可以摩擦到金属融化从而进行焊接了……

有必要强调一下，为了最大化搓手手产热效率，细皮嫩肉这种摩擦因数比较小的搓手手效率肯定不如粗糙的手高。怎么样让双手不被冻裂，又能保持摩擦因数较大，可能是又一个崭新的科研问题。

火柴就是利用摩擦生热来引燃的

所谓苍蝇蚊子都是肉，在寒冷的冬天里，能够有点自己动手就能丰衣足食的热源，还是知足比较好。

科学地晒太阳

Sunbathing

为了让身体保持一个较高的温度，开源节流这两方面都重要，所以我们身边一丝的能量都不能放过。我们周围最方便获取的，也就是电磁波了。

「坐篝火」 ©kijek/adamski

无论是最为原始的烤火取暖，还是晒太阳，再到利用电来产热取暖的「小太阳」，热辐射都是重要的传热方式之一。在热力学中，如果一个物体能够吸收外来的全部电磁辐射，并且不会有任何的反射与透射，那这个物体就被称为黑体。而历史上正是通过对黑体的研究，揭开了量子物理的神秘面纱。

地球上各地的辐射，图片来自 wikipedia

虽然黑体完全吸收外来的电磁波，但是它依旧会向外辐射电磁波。稍稍显得诡谲的一点是，对于任意一个物体，辐射本领 E(υ ,T) 与吸收率 A(υ ,T) 之比是一个与组成物体的物质无关的普适函数——这也就意味着如果一个物体的吸收率越高，那么它的辐射本领越强。

基尔霍夫证明，辐射本领 E(υ ,T) 与吸收率 A(υ ,T) 之比与物质无关

正是因为黑体会向外辐射，所以虽然名为黑体，但并不意味着它真的是黑的。在室温下，黑体放出的基本为红外线，但当温度越来越高以后，黑体辐射中就出现越来越多的可见光成分。随着温度的不断升高，颜色分别变为红色，橙色，黄色，白色和蓝色。这大概就是传说中，**「五彩斑斓的黑」**吧。

不同温度的黑体辐射对应的光的颜色，也就是我们平时说的色温 ©lsgc.com

不过在严寒中挣扎的我们，应该也用不上那么花里胡哨的东西，老老实实地把自己抹黑，然后躺平晒太阳（接收来自宇宙的电磁波）就好了。

综上所述

Conclusion

如果未来真的凛冬将至，为了活下去，生物会不会进化成这样呢……

仔细一看，还挺萌的

你们觉得这样好看吗？

* 封面图来自 http://noticing.co/on-size-and-warmth/

* 参考文献及链接：

[1] Bergmann C. Über die Verhältnisse der Wärmeökonomie der Thiere zu ihrer Grösse. 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/燃素说

[8] https://zh.wikipedia.org/wiki/热质说