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二维码涂黑几个会影响扫描结果吗？ | NO.435

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-11-15 12:19

正文

如果我在二维码中加入一个小黑格

你能够发现吗

他还会不会扫描出来呢？

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Q1 如果褪黑素在暗环境下分泌。盲人会更容易失眠还是更容易犯困？
Q2 如果我得到了一杯质子，假设它不逸出，也不与其他物质反应，它看起来应该是什么颜色？电子和中子呢？
Q3 为什么学习的时候饿得飞快？比我运动饿得还要快？
Q4 银行卡、身份证、手机之类的可以放在一起吗，会有什么电磁的反应吗？
Q5 概率存在吗，一切不是注定如此？
Q6 为什么超声波清洗机在清洗时会有声音？超声波不应该是人耳听不到的吗？
Q7 都是基因，为何会有显隐性之分呢?
Q8 风扇叶片上有一排LED灯，风扇转动时却能显示出不同的动画，什么原理？
Q9 蒸包子是上层先熟还是下层先熟?
Q10 为什么二维码增加一两个黑色小格不改变扫描结果?

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Q1

如果褪黑素在暗环境下分泌。盲人会更容易失眠还是更容易犯困？(我就是盲人，很好奇这个)？

by 匿名

答：
在探讨盲人是否会因为褪黑素的分泌而在睡眠上有所不同之前，我们先简单回顾一下褪黑素是什么——褪黑素是一种由松果体分泌的激素，它在调节我们的昼夜节律和睡眠周期中扮演着重要角色。
对于盲人来说，情况可能会有所不同，盲人的褪黑素分泌节律可能并不遵循典型的昼夜模式。1981年的一项研究显示，视力正常人的褪黑素在凌晨1:00到3:00达到分泌高峰，而盲人在14:00褪黑素的分泌高于23:00。这表明盲人的生物钟可能与常人有所不同，他们的褪黑素分泌节律可能更加紊乱。进一步的研究也支持了这一观点。1997年的一项研究比较了具有光感和不具有光感的盲人褪黑素分泌节律的差异，结果显示不具有光感的盲人褪黑素分泌节律完全紊乱的比例更高。这可能导致他们的睡眠模式更加不规律，从而影响睡眠质量。
此外，研究指出，全盲人群中，70%患有非24小时睡眠-觉醒障碍，这是一种昼夜节律性睡眠障碍，特征为生物钟长期失调。这种失调可能导致盲人在夜间失眠，白天瞌睡，影响他们的日常功能。
所以，盲人可能更容易出现失眠问题，而不是更容易犯困。他们的睡眠模式可能更加不规律，这需要通过医疗干预来调整，例如使用新药他司美琼来协助调整生物钟。希望这个回答能够帮助您更好地理解这一问题。如果有其他问题，欢迎继续探讨。
参考文献：
卢磊磊. 褪黑素(melatonin)对睡眠节律紊乱的影响[C]. 2002年国际康复工程与临床康复学术讨论会论文集. 2002: 319-323.
Smith, J., J. O'Hara, and A. Schiff, ALTERED DIURNAL SERUM MELATONIN RHYTHM IN BLIND MEN. The Lancet. 1981, 318(8252): 933.
Lockley SW, Skene DJ, Arendt J, Tabandeh H, Bird AC, Defrance R. Relationship between melatonin rhythms and visual loss in the blind. J Clin Endocrinol Metab. 1997 Nov,82(11):3763-70.
杜姗,舒永全.首个治疗盲人非-24h睡眠/觉醒紊乱症的新药他司美琼[J].中国新药杂志. 2014,23(12):1351-1353+1389.
盲人的褪黑素分泌情况与正常人相比有何不同？
by 4925
Q.E.D.

Q2

如果我得到了一杯质子，假设它不逸出，也不与其他物质反应，它看起来应该是什么颜色？电子和中子呢？

by 匿名

答：
好问题！我们大致可以这样考虑：把一杯质子束缚在杯子里（使劲盖紧盖子！），质子会在杯子里形成驻波，具有分立的能级。由于泡利不相容原理，较低的能级都被质子填满了，较高的能级则还有空位置。如果光子可以把较低能级的质子激发到较高能级，光子就会被吸收。
那么，我们需要考虑这杯质子会吸收什么颜色的光，那么这杯质子看起来就会是与其互补的颜色啦！
按照这个思路，我们来仔细计算一下这杯“质子奶茶”会是什么颜色的！
为了简化问题，我们假设：
一杯质子、电子或中子可以视为三维无限深势阱中的自由粒子束缚态。
为了不让计算变得更加令人头秃，我们假设在绝对零度下，忽略热涨落
粒子密度也足够低，忽略相互作用，否则可能还会出现相变，那就更复杂了
杯子的尺寸设为米，假设杯中装有个质子（这样比较稀疏，可以忽略相互作用）。如果吸收光子，发生跃迁的两个束缚态的能级差需要等于光子的能量，即：
是普朗克常数，J·s。是光速，m/s。是光的波长，可见光范围为 400 nm 至 700 nm。于是可以计算可见光光子的能量：
粒子在三维无限深势阱中的能级为：
是粒子质量（质子kg、电子kg、中子kg）。个质子填满了最低的个能级，就像是一片质子的海洋，海面上的质子跳到更高的能级至少需要吸收能量：
代入具体数值，容易计算出：对于质子，至少要吸收，对于中子，至少要吸收，对于电子，至少要吸收。
它们的门槛都比可见光的能量高！可见光不足以把这杯质子、中子、电子激发到更高能级。所以这杯质子、中子、电子无法吸收可见光光子，光就这么水灵灵地穿透过去了。
因此它们看起来都是透明无色的。
温馨提示：
请勿在家中尝试制作这三杯神奇饮品，毕竟，我们还需要地球的完整性。
by 余荫铠
Q.E.D.

Q3

为什么学习的时候饿得飞快？比我运动饿得还要快?

by 一学习就饿

答：
大脑很神奇。尽管大脑的重量只占人体总重量的2%左右，但在静息状态下，它却消耗了大约20%的能量。这是因为大脑中的神经元需要大量的能量来维持其电化学信号的传递，这些信号是思考、记忆和学习的基础。
而学习是一个复杂的认知过程，涉及到大脑多个区域的协同工作，尤其是前额叶皮层，这是与决策、规划和注意力集中相关的区域。当学习时，这些区域的神经元活动增加，需要更多的能量来支持其工作。大脑主要依赖葡萄糖作为能量来源。学习时，大脑对葡萄糖的消耗增加，当血糖水平下降时，身体会通过饥饿感来提醒我们补充能量。再者，在进行高强度认知活动时，大脑耗能增加，会比平时更快得感觉到饿。
但是这并不意味着，读书写作业就比运动代谢更多。文献显示，坐姿下代谢当量最大值为打字，数值为1.7，而步行的最低代谢当量值为2.2。那为什么有的人会觉得学习比运动更容易饿？这是因为，学习时大脑对葡萄糖的持续需求增加，导致血糖水平下降，而运动后，身体会迅速通过释放激素调节血糖平衡，所以从感觉上讲，学习更容易饿。另外，学习可能会引发一定的压力和焦虑，这些情绪会刺激食欲，让我们更容易感觉到饿。
参考文献：
杨又,闵苏,律峰,等. 大脑糖代谢新认识[J]. 中华麻醉学杂志,2022,42(10):1265-1268.
Sun, Shao-Peng & Chen, Jia-Jia & Zheng, Ming-Xu & Fan, Yi-Hong & Lv, Bin. Progress in research of exercise intervention in inflammatory bowel disease. World Chinese Journal of Digestology. 2024(32): 339-346.
田野,赵杰修,何子红,等.运动与能量代谢调控研究进展[J].科学通报,2015,60(32):3078-3086.
by 4925
Q.E.D.

Q4

银行卡、身份证、手机之类的可以放在一起吗，会有什么电磁的反应吗?

by 哥别卷了

答：
坊间传闻，银行卡、身份证、手机放在一起会消磁。实则不然，它们仨可以安稳放在一起。
消磁是指物体原本具有的磁性在特定条件下被破坏或削弱的过程，这会使得物体失去原有的磁性或磁化程度降低，并导致磁条中存储的信息无法被读取或损坏。
银行卡、身份证等ID/IC卡由塑料卡片和射频识别（RFID）标签芯片组成【我国二代身份证现均采用的是无线射频识别技术，里面没有磁条】。塑料外套是为了保护重要的RFID芯片而存在。而像身份证、银行卡这种存储容量不大、工作距离在3-5m的RFID标签属于被动式标签，通过电磁感应获取能量——在接收到阅读器（例如读卡器）发出的电磁波信号后，会将部分电磁能量转化为供自己工作的能量。也就是说，身份证、银行卡中的RFID标签并不依靠自身磁场工作，所以不存在“消磁”一说。所以手机、银行卡、身份证是可以愉快地共处一室的。
那为什么有时候无法读取身份证呢？有以下几种情况：比如在外力作用下，身份证发生扭曲(一屁股压弯芯片了)，或者放置在高温环境中，身份证内部的芯片或线圈可能会损坏，就会出现无法读取身份信息的情况。也有另外的情况，当身份证与读卡器之间的距离太远或者读卡器附近有强干扰物（如大型工业的电磁设备）、信号屏蔽材料等，也会导致身份证无法被识别。
不过，虽然自2010年起国有商业银行已经开始全面发行金融IC卡，到现在为止，仍有一些地方性银行或较早期发行的纯磁条卡片在使用，这些银行卡仍有被“消磁”危险。另外，很多商超/酒店会员卡、以前的小区门禁卡、部分加油站加油卡、以前的磁条式医保卡……这些需要刷卡读取信息的卡片也都有被“消磁”的风险。
参考文献：
身份证会被手机“消磁”吗[J].科学之友,2023,(12):54.
李泉林,郭龙岩.综述RFID技术及其应用领域[J].中国电子商情(RFID技术与用),2006,(01):51-62.
马庆容.我国RFID发展与应用现状研究报告[J].金卡工程,2007,(04):46-49.
by 4925
Q.E.D.

Q5

概率存在吗，一切不是注定如此？

by 高中生

答：
很遗憾，目前我们必须承认概率的存在，至少没有比概率更好的理论来解释当前的一些物理现象。曾经的科学家们试图通过一些其他的解释来捍卫“确定性”的地位，比如隐变量模型，然而著名的贝尔（Bell）不等式表明了在量子物理中，隐变量模型无法解释量子力学的结果，一般来说这会涉及到量子纠缠态的行为。做一个比较简单的解释，隐变量模型假设量子系统内部还存在一些没有被观测到的变量，也就是“隐变量”，他们参与决定了系统的行为，就是说量子世界的随机性可能不是真随机而是我们没有发现规律。然而在对量子系统的观测中（比如测量两个相距较远且处于纠缠态的粒子的位置/动量/极化状态等）时，在某些条件下可以观测到超出隐变量理论预言的结果，因此得出结论：量子世界就是有随机性，而跟是否有我们未发现的变量无关，也即应该用概率的语言描述，而非经典的决定性描述。
by ArtistET
Q.E.D.

Q6

为什么超声波清洗机在清洗时会有声音？超声波不应该是人耳听不到的吗？

by Pascal_114

答：
这两个问题并不是等价的，超声波的频率在20KHz以上，而人耳能听到的频率在20-20KHz之间，超声波清洗机的工作频率在25KHz-130KHz之间，从理论上看人耳是听不到声音的，但是！！！我们听到的根本不是超声波的声音，而是超声波将自身的能量传递到水中引起震荡，使得被清洗物体也一并随之振动进而撞击清洗机金属内壁的声音。
超声波清洗机内置一个超声发生器通过换能器将超声波的声能转换为机械振动，使得液体和清洗槽一起振动，这是属于人耳可以听到的声波频率，因此我们才会听到嗡嗡声。
参考文献：
陈琦,立式超声波清洗机.重庆市,重庆芸峰药业有限公司,2021-09-10.
贾亚雷.超声波清洗机的设计[J].煤矿机电,2007,(03):82-84.
by 蓝多多
Q.E.D.

Q7

都是基因，为何会有显隐性之分呢？

by 今心

答：
专业的说法是，二倍体生物在杂合状态下可以表现的基因就是显性基因，反之则是隐性基因。但我们可以更具体的解释这个问题，从承担生物功能的蛋白质的角度来解释。
假设一个基因A会被翻译为蛋白F，对应的等位基因a是一个不发挥功能的突变体f，那么一条含A的染色体（杂合体Aa）蛋白F的表达量是n，两条含A的染色体（纯合体AA）的F表达量通常是2n。如果这个蛋白F只要n就可以维持机体的进程，那显然一条还是两条染色体上有A来翻译为蛋白F，生物体的表型是一样的，A就是我们所谓的显性基因，对应的a便是隐性基因，这是常见情况。
那等位基因是怎么来的呢，等位基因通常是原有基因突变产生的，突变本身并没有好坏之分，在一定环境下，有的没有显著意义，有的扩大或缩小竞争优势。
那来一点变量，基因A翻译为正常的蛋白F，等位基因a是表达突变体f。突变体蛋白f效果非常强烈，只要表达便会使机体表型变化掩盖了F的表型，这个时候a便是显性基因，A反过来成为隐性基因。
可能会有人产生疑问了，有没有可能杂合体Aa的表型和纯合体AA、aa的表型都不一样呢？答案是当然可能，这是基因的剂量效应，基因拷贝数越高，蛋白表达水平越高，表型越强烈。
还会有人会有疑问，常染色体的情况我都知道了，那如果一个显性基因只位于X染色体上不在Y染色体上，然后这个基因存在剂量效应，那是不是纯合子的雌性（XAXA）和雄性（XAY）的表型会不同啊？答案是不会，因为还有基因的剂量补偿效应，女性体细胞中的一条 X染色体会在lncRNA XIST的介导下凝缩失活成为巴氏小体，维持两性表型的相对一致（这个效应的经典案例是三花猫，有兴趣的同学可以自行了解成因）。
by 某大型裸猿
Q.E.D.

Q8

风扇叶片上有一排LED灯，风扇转动时却能显示出不同的动画，什么原理？

by yaminjane

答：
这个则是利用了人眼的视觉暂留现象，在电风扇叶片上都安装有LED灯，在旋转过程中风扇时钟会通过电子控制器来控制LED灯，根据扇叶的位置来控制亮灭。但是为什么灯光没有随着控制器发生频闪呢？这是依靠人眼的视觉暂留，光信号传入人脑的神经后，视觉形象不会立即消失，而是会保持一段时间(0.1-0.4秒)，从而在人眼中形成连续的动画。
我们拿这种可以显示时间的小风扇来作为演示，风扇的转速为每分钟60转以上才会出现视觉暂留。假设有三个扇叶，每个扇叶上都有20个LED等，在0秒时，扇叶停留位置所对应的灯会点亮，然后0.05秒后再补充剩余位置的灯，0.1秒后再次显示前者的灯，循环往复，经过人脑的整合，就可以呈现出一个完整的图像。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q9

蒸包子是上层先熟还是下层先熟？

by 虞鱼

答：
应该是下层的包子最先熟或者是至少不是上层先熟，直接拿我们最常见的蒸屉来看，大家一般会认为：“水蒸气受热上升，然后聚集到上层，并遇冷液化释放大量的热”，但是经过实证，发现不是这样的，水蒸气从下层上升的过程中，就一直在释放热量，虽然过程很快，但是下层更接近水蒸气的来源，是热量的主要释放出口。而当水蒸气升到顶部之后释放的热量，大多从盖子流失到外界了，因此面点师傅会选择在蒸屉上围一圈毛巾来阻挡热量。
实际上，生的包子放入笼屉中，在刚开始加热的一段时间，确实是盖子温度最低，也就是下高上低，相比于蒸格和包子，水汽再蒸笼盖的放热最明显，只有当整个蒸笼内部的温度上下一样，并且等于锅内水的沸点时，高温水汽才会对包子进行传热。
不仅如此，我们经常能看到面点师傅会将下层的包子挪上去，在底下放上新包好的包子，这个叫做“倒笼”，因为下层的先熟，所以在熟的差不多之后，就挪到上层，让新做的继续去蒸，刚倒笼过的用残余的热量慢慢蒸熟。
在央视《是真的吗？》这一栏目中，有做过相同的实证，他们不仅采访了经验丰富的面点师傅，还拿10层蒸笼现场验证，最终表明确实是下层先熟。
那，真的也是如我所说下层先熟嘛？万一层数比较低只有两层？其实如果是层数过低，那么蒸笼放上去后应该上下温度是几乎相同的，如果包子大小也一样，那就会是两层同时熟。
参考文献：
王伟民.也说“蒸笼蒸馒头,哪层先熟”[J].课程教学研究,2015,(06):94-95.
蒋长龙.蒸包子时真的是上层先熟吗?[J].中学物理,2014,32(08):88.
by 蓝多多
Q.E.D.

Q10

为什么二维码增加一两个黑色小格不改变扫描结果（亲测有效）？

by 刘超杰

答：
二维码有很多种类，包括QR码，PDF417码，汉信码，Data Matrix等，它们具有不同的结构以及编码解码方式。在下面的回答中，笔者仅介绍日常生活中最常见的QR码。
QR码根据根据其纠错能力可以分为L,M,Q,H四级，分别可以修正7%、15%、25%、30%的字码，因此只增加一两个黑色小格不会改变识别结果。QR强大的容错能力得益于一种名为Reed–Solomon纠错码的编码方式。我们将在下文对此进行详解。
QR码上一个小黑格子代表0，一个小白格子代表1，所谓编码就是我们要传递的信息变成一堆0和1，解码就是把这堆0和1翻译成我们要传递的信息，一套好的编码-解码方式可以做到，当编码产生的0和1被篡改了一部分，依然可以通过解码得到正确的信息。在介绍Reed–Solomon纠错码之前，我想我们可以先回顾一下初中就学到的二次函数的知识。平面上有曲线，c是未知数，如果我们知道这条曲线经过点,那么我们就可以把c解出来，同理对于曲线,里面有k个未知的系数，如果我们知道这条曲线经过k个点，，那么我们就可以求出里面k个未知的系数。现在我们回到编码的情景，我们现在假设,就是我们编码得到的密码，现在其中有个位置发生了错误（假设我们知道哪个位置发生了错误）如果我们事先知道密码所对应的曲线必须经过某个点，我们就可以把发生错误的系数还原。
但现在这种编码方式还不够好，一是需要知道出错的位置，二是编码和纠错的计算都很繁琐。为了解决这个问题我们需要一点数学知识的帮助——伽罗瓦域。对于伽罗瓦域我们需要了解以下性质，首先伽罗瓦域里的元素是有限的，这些元素进行“加减乘除”（此处的加减乘除只是一个叫法，并不等同于我们在小学学的实数域上的加减乘除）最后得到的结果依旧在这个域里，同时这里面有本原元素,这个域里所有其他非零元都可以表示为的幂级数，又在这个域里定义的加法和减法是一样的，最后伽罗瓦域里的元素可以很容易的用二进制数表示，再转换成黑白格子。
现在假设我们要编码的信息是n个数，，我们可以先构造一个多项式,然后我们找一个伽罗瓦域，从里面挑出2k个元素，即,再构建一个多项式,定义,即除以的余式。再定义,（第二个恒等式利用了伽罗瓦域里加法和减法相同的性质）,C(x)的系数就是编码得到的密码，事实上我们并不用真的计算上面的式子得到C(x),直接拼接A(x)和R(x)就可以得到。显然C(x)被A(x)整除，所以是C(x)=0的2k个根，也就是说曲线y=C(x)必然经过2k个点。可以证明当曲线中任意小于k个系数被篡改，我们可以通过事先知道的2k个点检索到发生错误的位置，并改正（这个关于检索能力的证明并不显然，需要利用Forney公式，此处由于篇幅限制不做过多介绍）。在伽罗瓦域里乘除法通常都用查表的方式来计算，所以通过2k个点还原k个系数可以很高效地使用计算机计算。
综上这就是Reed–Solomon纠错码，正是依靠它我们才有容错度如此高的QR码。
参考文献：
https://en.wikipedia.org/wiki/QR_code.
.https://en.wikipedia.org/wiki/Reed%E2%80%93Solomon_error_correction.
by 前进四
Q.E.D.