为何“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重”这样的问题能引发热议?难道不是吗?
▍➥为何“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重”这样的问题能引发热议?难道不是吗?
首先要确认一件事:一斤水+一斤水是否等于两斤水?
如果有人连这个等式都要否认,那么就不必继续讨论一斤水+一斤盐是否等于两斤这样更复杂的问题了。如果有人真的去做实验,那么很可能他会发现一斤水+一斤盐的确不等于两斤,那么这时候应该怎么思考这个问题,可以判断出一个人的思维逻辑的严谨程度。
对于,认同一斤水+一斤水=两斤水的人来说,当他做实验发现一斤水+一斤盐不等于两斤的时候,他会首先去检查秤是否出了问题,而不是首先去质疑质量守恒的基本自然规律被打破了。
然后,这道题中的“溶于”这个词也许是个陷阱,而“两斤总重”的说法也显得模糊不清,两斤总重的啥东西?是两斤总重的水还是盐水还是盐水和未溶解盐的混合体系,在问题中全都语焉不详,这就让该问题在讨论时,有了各种可以操纵利用的空间。
如果这里的盐,默认就是食盐。
那么,一斤盐是无法溶在一斤水中去得到总重两斤的盐水。
这是因为普通的食盐,在20摄氏度的情况下,溶解度为36克,即每100毫升水中最多溶解36克盐。而一斤水为500克,水的密度在20摄氏度的情况下近似为每毫升一克,所以也就是大约500毫升水,它最多只能溶解180克食盐。因此,把一斤盐放入一斤水中即使搅拌足够长的时间,依然会剩下许多盐无法溶解,那么此时都不用秤,凭逻辑我们就能判断,盐水的重量肯定不足两斤。
其次要考虑各种人为或其它原因造成的误差
这种误差有许多来源,其中一些可以被我们立即察觉,比如为了促进食盐的溶解速度,我们可以通过快速搅拌的方法来加速,可是这种做法也就可能让水或盐水飞溅到了杯子外。这种飞溅即可能肉眼能看到,也可能肉眼无法看到。
当然,有人会认为,既然人为操作容易引发误差,那么如果不搅拌,静静地放置在那里,等待食盐慢慢溶解呢?那也不行,随着时间的流逝,水会慢慢蒸发到空气中,在一个敞口的容器中,您要是放上三五天,可能连水都消失不见了。除此之外,我们还得考虑到空气中也可能有物质会溶解到水或盐水中,这些因素都会影响最终有多重。
所以,要想真的知道一斤水+一斤盐到底有多重的精确结果,您需要把它们装在一个重量已知的密闭的容器中去,而且容器本身不会快速和空气发生任何可以觉察的反应。比如一个简单的塑料瓶或塑料桶。
当你把一斤水完全倒入一个装了一斤盐的塑料桶中,然后关上瓶盖。看看重量是否为两斤,如果是,那么你可以每天称一次,看看重量发生了巨大改变(这是因为秤本身可能会有一定的测量误差,会偏多偏少一点点),如果没有,那么一斤水+一斤盐等于多少斤,这问题就被彻底解决了。
谁要是能在一个严密的实验中证明一斤水+一斤食盐 不等于两斤,那么他就一定可以拿诺贝尔奖,因为他用一个简单的实验的就推翻了质量守恒定律。
没有愚蠢的问题,只有无趣的回答,希望我的回答足够有趣而严谨
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▍➽为何“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重”这样的问题能引发热议?难道不是吗?
“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重?”这问题看似简单,实际不简单,想要得到两斤必须保证没有能量变化。下面由浅入深,吹毛求疵一下,看看爱因斯坦眼中的答案是什么。
错觉
在温度恒定的情况下,一斤水+一斤水=两斤水,这没人有疑问吧?如果有问题,肯定是秤坏了!水加水没有问题,为何水加了一斤其他的物质就会引发议论呢?
或许是“固体”的食用盐在水中溶解消失了,给了一些人错觉:盐是不是凭空消失了?那么质量是不是减少了,不守恒了?实际上很多时候,质量确实减少了。
理想状态下才能守恒
如果实验是在恒温,密闭的容器中进行的话,质量肯定守恒。例如:室温、水与盐都恒定在20℃,一斤盐倒入一斤水的容器,最终就是两斤。不过,有一半以上(约为320克)的盐沉淀在水底,无法溶解。
温度整个过程中没有发生改变是必要条件!如果没有这些条件限制,一斤水加一斤盐大概率不等于两斤,因为能量也需要守恒!
能量的坑
大多数人对质量比较清晰,拿在手上沉甸甸的,但是对能量就比较模糊了。我们感受到的光与热,本质都是感受到了能量,而质量的本质就是能量。
如果你有一把“神奇无敌”大砍刀,随便拿个东西,一分二,二分四,四分八,这么剁下去,最后你会发现无论再怎么分也分不下去了。因为最终都被切割成不可分割的粒子。一开始我们以为这种粒子是原子,最后在高能对撞机下,科学家发现了61种比原子更小的基础粒子。
这些零维基础粒子,自身并不具备任何静态质量的。质量是不同粒子基于自身的特性与其他粒子发生相互作用产生的。比如电子带电荷(负)与带正电的质子(复合粒子)会出现异性相吸的情况。它们并不相接触,就像磁铁“隔空”会出现吸引(排斥),这种现象的纽带是光子。
排斥现象就像湖面上有两艘船,上面各站着一个人,面对面互相传球,渐行渐远。吸引是他们背对背扔回旋镖,于是越靠越近。光子是回旋镖,还是球,取决于电荷,这种相互作用叫做电磁力。
宇宙万物的底层法则就是四种最基础的相互作用,除了电磁力扔光子,还强力(夸克扔胶子)、引力、弱力以及赋予粒子质量的希格斯机制(希格斯玻色子)。总之,质量源于粒子之间的相互作用,即万物本无质量,一切源于能量。
回到盐和水的问题,如果发生温度变化或者能量的散失,那么质量肯定不等。例如:加盐过程中,发现密闭容器中盐溶解不了了,于是给盐水适当加热。最终,升温的盐水混合物质量绝对大于两斤。因为温度提升了,能量增加了,即质量增加了。同理,温度下降了,质量减少了。不过这种差别非常微小,可以用爱因斯坦的质能方程计算:
利用热量公式Q=c*m*△t 计算出增加(或减少)的能量,代入质能方程m=E/c^2得到变化的质量。由于水增加的能量很小,再除以光速的平方,得到的质量至少是小数点16位往后,这种微小的质量变化一般的电子秤,测不出来。
质能公式也预示着亏损少量质量能爆发出极大的能量,这就是原子弹威力的来源。
审题的坑
除此之外,题目也有问题。一斤盐并无法“溶于”一斤水,因为水温20℃时,100克水,最多能溶解36克食用盐。即使100℃,也就39.8克。因此盐无法完全溶于水中,那么题中的“两斤”指的是盐水?还是盐与水的固液混合物?盐范围很广,没有明确,如果不是食用盐(氯化钠),问题就复杂了。硝酸铵盐溶水会降温,有些盐会发生升温,能量变化会引起质量变化。
因此,能量变化会引起质量不守恒的假象,但质能必然守恒。
▍⊙为何“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重”这样的问题能引发热议?难道不是吗?
先讲个故事,法国著名物理学家郎之万,曾向学生们提出一个问题:为什么在盛满水的杯中放入一条金鱼,水不会溢出来?
第一次听到这个问题时学生们一脸懵逼,心里在想水肯定会溢出来啊,但老师是著名物理学家,这个问题中肯定蕴含了深刻的科学道理。于是,学生们给出了千奇百怪的答案,有人回答是这条鱼喝了杯中的水,有人回答是水的密度和温度在特定情况下产生了影响等,回答越来越离谱。
最后,郎之万说,其实这个问题是一个伪命题,盛满水的杯中放入一条金鱼,水当然会溢出来,之所以这样提问是想让大家明白一个道理:科学没有真正的老师,唯有实践才能出真理,我们对待一个问题的看法,经常因为场景化而导致思维固化。
回到这个问题“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重”,答案当然是两斤。很多人喜欢站在标新立异的角度回答问题,总想搞个“大新闻”,但其实问题本身很简单。一斤盐溶于一斤水,不管是什么溶解条件,总之盐完全溶解进水中了,要不然也不能叫“溶于”。评论区看到有人回答反应放热,涉及到了质能方程,能量和质量本质上是一回事,热量散失导致质量减少,所以总重量少于2斤,这也不是没有道理。但一定要这么说的话,一斤水中再加入一斤水,也不等于2斤。因为温度超过绝对零度的物体都会向外辐射电磁波,能量散失质量必定减少,但这样回答已经偏离了问题回答的本意,这不是在回答是在抬杠。
盐溶于水不会有气体逃逸,所以肯定是2斤。有科学作者和网友在回答这个问题时列出了许多复杂的论据,让我们对原本非常简单的问题产生了怀疑。这类问题能引起人们热议,恰恰说明了我们对待一个问题的看法,会因为场景化导致思维固化。
▍ℛ为何“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重”这样的问题能引发热议?难道不是吗?
把一斤盐倒入一斤水中,最后得到的总质量还真的不是两斤,这个问题并非像很多人想象的那么简单。即使是没有蒸发等质量散失,混合后的质量也不是两斤。
在经典物理学中,能量是能量,质量是质量,两者不能转化,质量守恒定律就是在这种认识基础上总结出来的。不过这种认识在1905年发生了变化,爱因斯坦给出了著名的质能方程E=mc²,揭示了能量和质量的当量关系。
例如,在核反应过程中会释放出大量的能量,质量在这个过程中相应的也会发生明显的变化,并且变化遵循E=mc²。
很多人就是通过核反应认识的质能方程,从而错误的认为质能方程只适用于核反应。爱因斯坦质能方程可以用多种方法推导出来,从推导的过程中可以看得出来,这个公式并没有限定特定的适用条件,也就是说只要涉及到能量的变化,质量也会跟着发生变化。所以,化学反应中既然也会有能量的变化,所以质能方程在这里同样适用,这也早已在实验中得到了证实。只不过化学反应前后质量的变化不明显,在中学认识阶段会认为化学反应前后质量保持不变。
把一斤盐倒入一斤水中,这一斤盐或许并没有全部溶解,不过只要有溶解就会有溶解热,这样就会有能量的变化。能量变了,质量就会跟着发生变化。一斤盐倒入一斤水中,得到的质量真的不是两斤。
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▍▽为何“一斤盐溶于一斤水是否得到两斤总重”这样的问题能引发热议?难道不是吗?
我看到很多热门回答说这个问题是在抖机灵,故意引起争议,所以没有任何意义。
更有人搬出来来道听途说的“高考状元不会回答一加一等于几”的故事来说明自己的妄想的观点。
那我只能说,你的思维真的已经固化了——而固化的原因,不光由于无知,更是由于因此产生的傲慢与偏见。
那些说质量守恒的人,难道不知道,单说质量、早就不守恒了么?
而且,这个问题并非多数人想的那么简单,还有一些更深层次的考虑。
我曾在课堂上跟学生详细的讲过这个问题,这里就简单说一下说吧!
01
为什么会有这个问题?
首先,这个问题是有由来的。
这个问题最早并非是什么无聊的路人提出的,而是物理学家提出的。
这个问题是另一个问题的变种或者延伸:1升水和1升酒精加起来,是2升么?
现在,我们都知道分子动理论的知识,由于分子之间有间隙,那么“一斤盐”溶于“一斤水”的体积是比“一斤盐”+“一斤水”的体积要小的——因此,那些用1+1=2来说事儿和反问的人,完全就是没弄懂问题的所在。
比如下面这位,以为这是个三岁小孩就知道的问题:
对于这些围观群众(包括一些“专业”的回答者)的反应,本质上来说,是因为他们知道的东西,就很认同;不知道的东西,就很排斥。
比如上面的最早的那个问题:“一升水和一升酒精加起来,是2升么?”
这个问题提出来后,大家就不会觉得无聊,会有很多人来回答了,头头是道,把分子动理论的知识大谈特谈,开始回避1+1=2的说法了——因为,回答者明确的知道这里1+1不等于2的原因。
那么“一斤水和一斤盐加起来,是2斤么?”这个问题,难道真的不需要深究?
真的像你想象的那么自然而然?
02
这个问题的本质
这个问题的本质,其实是「质量是否守恒」的疑问,它是「体积不守恒」的一个延伸提问,它同样可以继续往外延伸。
体积不守恒:
“1升水和1升酒精加起来,是2升么?”
答案是:不是,因为分子间有间隙,而且这个结论是经过试验验证的。
那么根据这个结果,可以得到结论:在不同物质混合时,体积不守恒。
是的,这才是科学研究的方法!试验和理论相协调。
因此我们进一步提问:
“那么它们溶在一起后,质量是否也守恒呢?”
注意,这个提问是非常自然和正常的,并不无聊。
从研究方法上,我们可以做个简单实验,重复一下这个过程,称量一下结果即可。
但是,就算称量结果是原来质量的总和,也无法证明质量守恒!因为,目前人类的仪器精度完全不够。
更进一步的:
由于问题中的“1斤”只是举例的一个数据,如果是换成10斤、100斤、100亿斤、是整个地球或者太阳的质量,那么结果又会怎样呢?
还像你想象的是1+1=2?
看到这里,是不是,你也动摇了呢?
如果动摇了,起码说明你真的动脑子了,也真的看懂了我上面的分析。
03
宇宙的质量
我讲这个问题,其实是穿插在讲「宇宙大爆炸理论」的课程里的。
我们知道宇宙最初是由一个奇点“爆炸”得到的,这个奇点爆炸(爆胀)的阶段,其实是质量分配、质能转换的过程(至少是非常重要的一部分)。
那么,奇点的质量,和把现今所有星系混合在一起的质量,是否相同呢?
如果有差别,这个差别有多大呢?
这个差别,平均到每个星系、每个恒星、直到每个分子上,又有多少呢?
要回答这个问题,就要从“一斤盐溶于一斤水是否等于两斤”这个问题来出发了!
你明白了么?
这就是为什么这个问题很火的原因了——
它既能让人觉得很简单,简单到嘲讽提问者,甚至是群嘲提问者;
它又是一个很深刻的问题,关系到人类对整个宇宙演化的认识。
我是宇宙物理学,这就是我的回答。
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