虾和螃蟹为什么会变红.doc

虾和螃蟹都是餐桌上人们竞相举箸品尝珍馐美味，可你有没有注意过，生的龙虾螃蟹是蓝黑色的，而蒸锅里呆上几分钟就立刻变成十分鲜艳夺目的红色，令人食欲大开。这到底是怎么回事呢？这看似简单的问题，却难倒了众多科学家，时至二十一世纪，荷兰的化学家的研究成果才令全世界的人茅塞顿开。
以前，一些化学家发现，龙虾和螃蟹被煮熟时，它们壳里面的一种蛋白质－甲壳蛋白会受热扭曲分解，释放出一种类似于胡萝卜素的色素物质，叫虾青素。自由自在的虾青素就能使熟透的龙虾呈现出诱人的鲜红色。可是，一直悬而未决的问题时，活的龙虾螃蟹为什么是蓝黑色的呢？被甲壳蛋白束缚着的虾青素为何就显现不出红色呢？这可让人百思不得其解。2005年，荷兰莱顿大学的科学家弗朗西斯科·布达（Francesco Buda）教授和他的实验小组成员，动用了固体核磁共振和共振拉曼光谱，通过精确的量子计算手段发现，甲壳蛋白中成对存在并交叉成X型的虾青素分子会发生激子耦合(exciton coupling)，就好像两根相邻的电线，它们传输的电信号会互相干扰一样，这些小分子也会互相干扰，这而改变虾青素分子的量子能态。因为这种量子能态的改变，就导致它们所能吸收光的波长的改变，所以就能改变龙虾的颜色。他们的这一成果发表在《美国化学会杂志》。
布达对他的理论的解释是，红色素吸收光谱中的蓝色和绿色部分，所以才能反射出红色光。当虾青素与甲壳蛋白结合时，虾青素的光吸收频率范围增加了，一直能到波长更长的部分（就是更靠近红色的部分），也就是说虾青素能吸收更多的可见光，所以，活龙虾呈现出蓝黑色。而当龙虾被煮熟了以后，虾青素自由了，神奇的量子化光谱的变化发生了，虾青素光的吸收能力弱了，光谱吸收范围窄了，龙虾就变得通体通红了。在此之前的理论一致认为是甲壳蛋白分子扭曲了虾青素分子的结构，从而使其光吸收范围扩大。布达小组的研究人员这次精确计算出的虾青素量子能态公式，发现甲壳蛋白分子的结构改变和极化效应只能引起三分之一波长范围的移动，从而部分否定了这一理论，而让真正的原因大白于天下。
如此小孩子都能提出的问题，你也许以为在<十万个问什么>里就能找到答案，却经过了好几个世纪才得以突破，这让布达教授自己也很惊讶。但是他承认，只有最近五到十年的时间里，计算机发展的速度才能够处理这些很棘手很大量的量子力学计算问题。不过他也对他自己从小就有的好奇心得以肯定。我们身边其实有很多奇异的现象，可能正是科学上的难题，一个值得思考，值得探索的问题，而孩子们的好奇心总是善于发现，善于问一些稀奇古怪的问题。保持一颗童心，保持对世界的好奇，这才是科学家们成功的要素吧。
说起这个名字颇为诡异的事件，其实是挺久以前从电视上看来的，一件和表面现象有点关系的事。虽然隔了这么长时间，我却依旧对此印象颇为深刻，逮到机会就和别人讲。现在也来跟大家说说。
事件的经过是这样的：
在北京生活频道一档专管生活琐事的节目里，一位男性观众致电节目组说，自己最近经历了一件怪事。某日他想冲速溶咖啡喝，于是拿了个杯子接了一杯饮水机里的水，塞到微波炉里热了几分钟。热好后他把杯子拿出来，发现里边的水没啥动静，一点要开的迹象都没有。当然了，本身就是饮水机里的水，不烧开也无所谓嘛，于是此男撕开一袋速溶咖啡，一股脑到了进去。怪事发生了，杯里原本风平浪静的水一下子喷了出来，并开始剧烈沸腾。这位观众吓坏了。要不是躲得快就要毁容啦，他心有余悸的说。
于是观众就借节目询问事情的缘由。节目组找到了一位教授帮忙解释，教授非常靠谱地思考了一会（也可能是和电视机前的我一样被这么华丽的事故搞得有点无语了…），说，这说明你的杯子很干净，水也很干净…
于是很对不起那位观众，电视机前的我在教授如此亮点的发言下华丽的笑喷了…
笑归笑，发生这样的事情确实很危险，大家毕竟不希望喝个咖啡都要冒着被开水毁容的危险。那么，究竟为什么会发生这样的事故呢？这其中的幕后黑手究竟是谁？
虽然我把咖啡粉写进了标题，但其实它是无辜的。它引发了危险，但并不是危险的制造者。真正的危险在于那杯看似平静的水。
那时的它，已经不是普通的水了，而是过热液体，也就是温度明明已经超过了沸点却不沸腾的液体。
为啥液体会过了沸点还不沸腾呢？这都是弯曲液面惹的祸。
对于宽广的湖泊或是较大的容器，其中水的液面是平坦的，但是很多情况下，例如叶片上的水滴或是细玻璃管里的水柱，它们的液面是弯曲的。液面的弯曲使得液面的表面积增大，而液体的表面在表面张力的作用下会有回缩的趋势，也因此使得弯曲的表面上多了一个附加的压力。对于弯曲的凸液面，这个附加的压力方向指向液体的内部；而对于弯曲的凹液面，这个附加压力指向空气，这就好比是在用力想把液面缩小。这个压力的大小与曲面的曲率半径的绝对值有关，绝对值越小，这个附加压力就越大。（注：曲率半径是一个用来表示面的弯曲程度的量，曲率半径绝对值越小，面就越弯。对于球面而言，曲率半径的绝对值就是球的半径。曲率半径的符号只表示方向，不代表正的曲率半径比负的大。）
而过热液体该沸腾不沸腾的状态就是这个附加的压力造就的。
讲沸腾之前，先来说说液体的蒸汽压。
蒸汽压是指在液体（或固体）表面产生的蒸汽对液面（固体表面）的压力。我们在物理学课本上读到，在某一温度下，如果液体的蒸汽压超过了液面上气压，那么液体就能够在这个温度下沸腾，而这个温度就被称为液体的沸点。照着么说的话，压根就不会有什么“过热液体”存在了。而显然事情是没有这么简单的。
我们都知道，水开了的特征就是水咕嘟咕嘟地冒泡，也就是说，要想让水沸腾，就必须让水的内部能够产生气泡才行。这听上去再简单不过了，但是对于纯水而言却是一项相当困难的任务。在纯水中要想产生气泡，就必须从一个尺寸非常小的气泡开始（大概是纳米级的）。我们先来假设这样一个迷你小气泡已经产生了于是，这个小家伙就在水中形成了一个球形的凹液面。要想保持这个小气泡不被周围的水挤扁，气泡内外至少要保持压力平衡。为了给它减轻一点负担，我们假设这个小家伙是生成在非常接近水面的地方，这样它受到的水压基本就可以忽略了。这样一来似乎气泡内的蒸汽压就能够很轻松地维持小气泡的存在了，但是曲面附加压力却惹了祸。由于小气泡的直径非常小，因此这个球面的凹液面的曲率半径就很小，这就意味着加在这个面上的附加压力会变的非常大，而这个压力的方向又是指向气泡的中心的。也就是说，这时多了一个很大的向内的力拉着小气泡的表面促使它收缩。不止如此，由于液面周围的液体受到的压力不同于水平液面下的液体，这使得小气泡中的蒸汽压也发生了变化。对于凹液面，其所产生的蒸汽压会比平液面小，并且曲率半径的绝对值越小，这种变化越明显。于是，倒霉的小气泡同学只好用一个比正常情况的蒸汽压小了很多的压力来对抗巨大的曲面附加压力，结果自然是非常悲剧地被曲面附加压力挤扁了。于是，在这杯本来已经达到沸点的纯水里，引发沸腾的小气泡无法顺利生成，于是就只好保持不沸腾的状态继续升温直到小气泡可以形成，一杯过热液体就这样诞生了。
如果仅仅如此似乎也没什么危险，但是过热液体的状态很不稳定，一旦小气泡可以形成，它就会迅速的沸腾，形成一种比普通沸腾更为生猛的状态：爆沸。而在本文的事件中，这个允许小气泡形成的家伙就是咖啡粉。虽然在我们看来，咖啡粉也算是很细的颗粒，但它的半径比起之前那个悲剧的小气泡同学要大得多了，当它进入过热液体时，小气泡就可以附着在上面，形成一个曲率半径大的多的凹液面。这时，蒸汽压的下降远没有那么明显了，而且附加压力也小了许多，因此这时候这个较大的气泡就可以比较轻松的形成。而这时的液体还在沸点之上，于是，它就迅速而剧烈地沸腾起来了，这就是爆沸。
以上就是咖啡粉险些毁容事件的全部内幕。估计有人开始担心天天在家烧开水会不会有如此危险了，但事实上是不会的。要想打造过热液体需要满足这样两个条件：纯净液体（注意哦，事件中的男观众用的是饮水机里的纯净水），以及洁净、表面光滑的容器，当然，这也就是那位靠谱的教授说“你的杯子很干净，水也很干净”的原因（不过这笑话实在有点冷）。而如果是用自来水，由于其纯度不够，含有少量的杂质颗粒，并且溶解一些气体，在加热过程中可以比较容易的产生较大的气泡，因此不必担心爆沸。如果一定要像那位男观众一样在洁净的杯子里加热纯净水，也有办法可以防止爆沸。只需要在杯里放上一把勺子，让气泡可以附着在勺子上形成比较大的气泡就行了。