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有时,最简单的问题可以有最惊人的答案。
比如:树是怎么长那么高的? 这是一个感觉上不需要
答案的问题。
树就是那么高。 有的,都能超过100米高。
为什么会有一个高度的限制?
我告诉你吧。树需为了生存要从 它们的根运输水到它们
最顶端的枝芽。 这不是简单的事。
水有一个可以被吸上吸管的 最高高度:10米。
如果你吸一根常德竖直的吸管, 水的高度不会超过10米。
此时,在水上方会存在 一个完全的真空,然后
水会开始自发的沸腾。一个树如果要 将水抬100米,它需要制造一个
为10大气压的压力差。
树怎么可以做得到?
当我发这个难题的时候, 很多人说答案是蒸腾作用。这是
当水从叶片上方蒸发时, 水会拉着下放的水上升。这明显是
一个树用来产生吸力的方法, 但这并不会克服这个
10米的限制。 -- 最低气压是真空情况下产生的,
但我不感觉树里面 存在真空,是吧?
是的,汉克(Hank)。所以你可能会 认为树里面不存在像吸管一样的管子。
--树里面有很有效的阀门。 所以你不需要一个整管子的水。
--这个你说需要灌满水的管子 其实是由细胞组成的。
虽然这些都是很好的假设, 它们都不是正确的。
研究树的科学家发现树里负责运输 水的导管内存在一个连贯的
水柱。所以那么还有什么方法可以 使树从根部运输水到输的顶端呢?
-- 它们不吸,它们不用真空。
好吧,那它们怎么做到的呢?
像挤一个奶牛一样,一直到树顶端, 那里面有很小的树肌肉。
是吗? 这会浪费一大堆能量,
但更重要的是组成导管的 树细胞都是死的!
那么与渗透压有关么?如果 在树中溶质比周边土壤中多,
水会被“推”上树。但 有些树是在红树林中成长的,那里
水中溶质浓度很大,渗透压其实会 在另一个方向起作用,因此树必须
要另外的压强将水吸上树。
那就必须是毛细作用。管子 越细,水爬的越高。
但树里的管子太粗了:管子有 20-200微米细,但水在这种情况下只能爬不到1米。
所以树到底是怎么做到的?
其实,我们之前做的一个假设是错误的: --最低气压是真空情况下产生的。
真空 真空
在一个气体里,这是正确的。当你 去除所有气体分子时,容器里的
压强为零,同时你得到了一个完全真空。
但在一个液体中,你可以得到比0 更小的压强,得到负压强。
在固体中,我们会把这个想成张力。 这意味着物体内部的分子在
向另外的分子施力, 同时也在“拉”周围环境。
当水从树里蒸发出来时, 一颗普通的树可以造成巨大的
为-15大气压负压强。 想想在气孔中
的水气交接面。有一大气压的压强 在往内压,同时又有-15大气压
在另一端制造吸力。那么为什么 半月细胞不会破裂呢?因为气孔
很小,小至2-5纳米的直径。在这 种大小的情况下,水巨大的表面张力会确保
水气交界面可以承受巨大的压力。
从树顶到树根,压强增大, 直到到树根达到一大气压。所以
树顶和树根可以存在很巨大的压强差,
既然树顶部的气压可以非常小。
但等等,如果树中近顶端的压强 为-15大气压,水不应该
沸腾了吗?
是的。水是应该沸腾了。
但是要使水从气态转成液态需要活化能。 活化能可以以
比如说一个小气泡的核点形式 出现。这就是为什么导管里
不存在气泡很重要的原因。它们 之所以可以不存在气泡是因为它们不像吸管:
它们自从开始生长就被水充满了。 这样水就会以亚稳态液体存在,
虽然说水应该沸腾了。
就像过冷水:水在一个应该 成固态的状况下保持液态。所以你可以
说树里的水是“过吸的”, 因为它可以在很小的压强下保持
液态。
为什么树会将所有这些水 运输上树呢?我想让你做个猜测。
大声说出来。 光合作用?
其实,不是的。不到1%的水 被用在光合反应中。有其他
想法吗? 好的。那成长呢?其实5%的水
是用作制造新细胞的。 那,另外95%的水
到哪儿去了? 蒸发掉了。
树每吸收一个二氧化碳分子, 它要丢掉上百个
水分子。
哇。
你能想象这有多惊人吗? 树能制造几十大气压的
压强差,从纳米级的孔中 将水蒸发,将水吸上100米,
此情况下水应该沸腾了但 沸腾不了因为完美的导管中
不存在汽包,只为了将 大部分水在吸收几分子二氧化碳
的时候蒸发。
我不会以同种眼神看树了。
我想特别感谢汉克(Hank, John的弟弟)、 亨利(Henry, MinutePhsics制片人) 和Poliakoff教授(Periodic Videos里的教授)。
他们在镜头上做了假设。这是科学的流程 内的重要的一步,即使你的假设
是错误的。 爱因斯坦曾经说过:一个没犯过错的人
没有尝试过任何新东西。 --我一直想知道在Veritasium视频
“这边”(“制片人”)的感觉。
如果你没已经关注这些人了, 我会很惊讶。但如果你确实没有,
可以点击这些去看看他们的频道。 你可能会学到一些东西。
我同时想感谢犹他州立大学 的John Sperry教授。他带领我
在一个长一小时的Skype谈话中走过了 这里的所有知识。所以我将在注视中提供
到他的网站的链接。 --我们在看的是小于大气压的压强,
对的吗? --是的。小于大气压。这是液态物质
的压强而不是气态物质的。这是一个常见的 误区:哦,不能存在
负压强因为没有分子 剩余了。你知道真空的
定义是不存在分子了。那是 给气体的。所以就让事情清楚一点,...
--我认为这是我在解这个问题时 遇到的比较大的问题了。
这个视频没有CGP Grey同时也是不可能 存在的。当我在伦敦告诉
他这件事的时候... --我感觉真的是“劈师师师师”大脑在得知这之后
爆了。 他(Grey)说这会很难解释。
他说难的话你就知道是真的难了。
所以谢谢你们所有对这个视频台词的付出。
同时谢谢你观看。做这个视频 对于我来说真的是一个冒险的旅行,所以谢谢
你在这个路途中跟着我了。我会很感激 你们所有的评论,同时如果你没关注我
的话,你可以点击这个或下方的建, 加入我下一个
科学的旅程。
--我做了一个视频保证我会做一个视频回答 这个问题的。我大概几个月前
就提出这个问题了,然后我还说“来关注我,我会在
一周之后给你答案” (群笑...)Hahaha --天啊,那些忽悠小孩的话...
--要以正确的频率跳! --哦?!(有一声树的咔咂声)
--成功了!!! --成功是可怕的...