王登軒

彩色泡泡來(lái)了

你吹過(guò)彩色泡泡嗎？美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志的最佳發(fā)明大獎(jiǎng)就授予了彩色肥皂泡的發(fā)明者提姆·科奧。用肥皂加上水，誰(shuí)都可以吹出泡泡來(lái)。但要吹出彩色泡泡卻不是一件簡(jiǎn)單的事情。真正的彩色泡泡，能發(fā)出單一鮮艷的色彩，而不是在太陽(yáng)光下折射出七彩光線的普通泡泡。

35歲的提姆·科奧來(lái)自美國(guó)明尼蘇達(dá)州的圣保羅市，他家的廚房里擺滿了超市里能買(mǎi)到的各種洗滌劑和有色液體，有時(shí)還會(huì)傳出爆炸聲；他的臉上、衣服上、甚至是浴缸里經(jīng)常會(huì)染滿各種顏色；他的家人經(jīng)常被迫撤離，因?yàn)榉孔永锍錆M了有毒氣體。所有這些都是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)夢(mèng)想：制造出彩色泡泡。

在嘗試制造彩色泡泡時(shí)，提姆·科奧最先想到了色彩鮮艷的果凍粉，他將果凍粉和象牙色的肥皂水混合，結(jié)果什么也沒(méi)有得到。

從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，給泡泡染色困難重重。因?yàn)橐粋€(gè)泡泡的外壁主要是夾在兩層表面活化劑分子里的水，厚度只有1英寸（2.54厘米）的百萬(wàn)分之一。如果將食用色素加入到泡泡溶液中，那些巨大的染料分子會(huì)在水中自由浮動(dòng)，無(wú)法與水或者表面活化劑融合，這樣得到的仍然是一個(gè)透明的泡泡，只不過(guò)底部有一點(diǎn)點(diǎn)顏色罷了。

歷經(jīng)15年時(shí)間，提姆·科奧終于發(fā)明了彩色泡泡。制造彩色泡泡的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要找到一種能夠與表面活化劑融合在一起的染料，讓泡泡出現(xiàn)鮮艷的顏色即可?，F(xiàn)在提姆·科奧發(fā)明的彩色泡泡不僅有各種顏色，而且假如在你手上破裂時(shí)，只要輕輕摩擦雙手，顏色就會(huì)立即不見(jiàn)；如果破裂的彩色泡泡粘在了你的襯衫或者地毯上，可以立即用水沖洗或者不理它，因?yàn)榘胄r(shí)后染料也會(huì)自行消失。

薄膜上的風(fēng)暴

在實(shí)驗(yàn)室里，法國(guó)波爾多第一大學(xué)的物理學(xué)家哈密德·凱萊用橡膠管連接在吸液管上，隨時(shí)控制肥皂泡膨脹的速度，然后非常緩慢地吹出一個(gè)直徑約10厘米的半球形肥皂泡。接著在肥皂泡底部加熱，同時(shí)又給泡泡開(kāi)始降溫，形成好似赤道炎熱而兩極寒冷的地球大氣系統(tǒng)。這時(shí)紊流在肥皂泡底部生成，由于存在溫度梯度差，它開(kāi)始往“高緯度”地區(qū)上升，幾秒鐘后就形成了對(duì)流漩渦。在肥皂泡破碎之前，能夠觀察到這個(gè)“風(fēng)暴”可存在幾分鐘之久。

你也許會(huì)問(wèn)，一個(gè)肥皂泡就可以解決氣象學(xué)家和天文學(xué)家的問(wèn)題嗎？沒(méi)錯(cuò)。液體流動(dòng)的能量是以漩渦式存在的，兩個(gè)小漩渦遭遇后，其中一個(gè)會(huì)并入到較大的一個(gè)漩渦中去。微觀下的大漩渦實(shí)際上是由成千上萬(wàn)個(gè)旋臂所組成，它們之間相互圍繞著旋轉(zhuǎn)但卻存在斥力。當(dāng)漩渦增大時(shí)，那些旋臂就會(huì)變細(xì)變長(zhǎng)。所以肉眼看到的大型漩渦，在微觀上正代表了液體的流動(dòng)方式。在膜表面上的那些美麗色彩和花紋看起來(lái)簡(jiǎn)直和颶風(fēng)一模一樣，它們不僅讓泡泡變得有魅力，更重要的是為人們提供了了解泡泡膜厚度的工具，因?yàn)槠渖孰S著膜的厚度而變化。就像颶風(fēng)動(dòng)輒在地球或其他星球表面綿延數(shù)千千米以上，“風(fēng)暴泡泡”在肥皂泡表面的比率規(guī)模決不下于真實(shí)中的颶風(fēng)，甚至在狂躁的漩渦地帶周?chē)矔?huì)出現(xiàn)平靜的風(fēng)眼。

研究小組使用了數(shù)字?jǐn)z影機(jī)，記錄下它們?cè)诜试砟ど系牧鲃?dòng)速度，接著把從中得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與幾個(gè)颶風(fēng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比。從位移來(lái)看，肥皂膜漩渦受到底部熱氣流的沖擊，呈現(xiàn)的是速度為1厘米/秒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，相比較而言，颶風(fēng)運(yùn)動(dòng)因受地轉(zhuǎn)偏向力影響而顯得明顯許多，兩者似乎相去甚遠(yuǎn)。然而，從平均位移來(lái)看，肥皂膜漩渦和颶風(fēng)的路徑竟擁有相同指數(shù)形式，表現(xiàn)了一種極大的相似度，兩者運(yùn)動(dòng)軌跡則十分接近。比如，從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)，都不是直線運(yùn)動(dòng)，而是沿著之字扭扭曲曲行進(jìn)。這種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)早就被氣象學(xué)家注意到了，它是一種經(jīng)典的恒速運(yùn)動(dòng)模式，就像顏料液滴在水中擴(kuò)散一樣。但颶風(fēng)在前進(jìn)過(guò)程中會(huì)突然地產(chǎn)生一個(gè)加速度，看起來(lái)，當(dāng)中有一種普遍性。倘若能夠弄明白其中機(jī)制，便可以更有效地防范這種具有破壞性的天氣現(xiàn)象。

終極泡泡

大多數(shù)人可能在幼兒園里就吹過(guò)泡泡了，實(shí)在是輕松活兒一樁。不過(guò)對(duì)科學(xué)家而言，要吹出體形劃一、排列整齊的泡泡并沒(méi)有想象中容易，因?yàn)橐刂扑鼈兊男纬上喈?dāng)于是跟表面張力、液體的黏滯性及其復(fù)雜的流動(dòng)行為所形成的渾沌現(xiàn)象打交道，所以是個(gè)非常困難的問(wèn)題。通過(guò)長(zhǎng)期研究，科學(xué)家最終想出了一個(gè)好方法，用來(lái)制造一連串相同規(guī)格的微米泡泡。

他們?cè)谝煌耙后w中浸入一塊金屬平板，上面有一個(gè)直徑為110微米的小孔，然后把一根里面充滿空氣的玻璃管插在孔的一側(cè)，同時(shí)升高該側(cè)的壓力，把氣體和液體推向另一側(cè)，形成一股包裹著“氣芯”的噴流。由于密度更低，“氣芯”運(yùn)動(dòng)得比周?chē)囊后w快，迅速到達(dá)金屬板的另一邊變?yōu)橐粋€(gè)“氣滴”，隨著它體積增大，就堵住了液流，此時(shí)“氣芯”被切斷，一個(gè)泡泡出現(xiàn)了。由于這種微型的“交通堵塞事故”發(fā)生得非常有規(guī)律，因此得到的氣泡也十分均勻一致，它們堆積在一起，看起來(lái)猶如某種晶體結(jié)構(gòu)一般整齊。通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的新方法，人們能夠做出大批量各種性質(zhì)相同的微米級(jí)氣泡以供研究，對(duì)制藥、食品等學(xué)科領(lǐng)域都很有幫助。

相對(duì)于行星的直徑，環(huán)繞在行星外的大氣層顯得非常薄，可視為二維結(jié)構(gòu)。同樣，肥皂泡膜也有此特性。只不過(guò)迄今為止，人們還無(wú)法建造一個(gè)二維風(fēng)洞，而為了吹一個(gè)適合研究的肥皂泡，科學(xué)家已經(jīng)走過(guò)了近30年的歷程。上世紀(jì)80年代，有人觀察到了肥皂泡膜具有很強(qiáng)的流動(dòng)性，適用于研究流體的性質(zhì)，從此一項(xiàng)吹泡泡競(jìng)賽就應(yīng)運(yùn)而生，既大又薄的泡泡成為了研究者競(jìng)追逐的目標(biāo)。

現(xiàn)實(shí)中，肥皂泡的壽命都很短，它們會(huì)被一顆碰到的塵埃輕易摧毀，或因地心引力使上方的膜不斷變薄而無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間維持于空氣中。為了吹出一個(gè)巨大的泡泡的確讓人絞盡腦汁，后來(lái)連精確的幾何學(xué)也上陣了，而且為延長(zhǎng)泡泡保存時(shí)間的裝置不斷被發(fā)明出來(lái)。終極泡泡就在這場(chǎng)競(jìng)賽中出現(xiàn)了，有人曾經(jīng)做出了一個(gè)高12米、寬4米的肥皂膜，還宣稱如果空間足夠大，可以造出更大的來(lái)。

不過(guò)，當(dāng)一個(gè)又一個(gè)巨大泡泡被吹出來(lái)了之后，科學(xué)家們才發(fā)現(xiàn)，雖然在視覺(jué)效果上是越大越好，但在物理學(xué)上就會(huì)遇到麻煩，面積增大，意味著摩擦力也會(huì)增大，將擾亂原本平靜的平面結(jié)構(gòu)。于是，“適度”大小的泡泡又重新回歸。

長(zhǎng)壽的秘密

吹泡泡是一種非常普通的游戲，自從有了水和表面活化劑，就有了泡泡。表面活化劑是肥皂和其他清潔劑的主要組成成分，它與水結(jié)合能減少液體的表面張力，這使得液體能夠不受阻礙地流過(guò)麥桿狀的小管子，遇到空氣后，這些薄膜開(kāi)始向外擴(kuò)張，直到最終與小管子分開(kāi)，形成一個(gè)個(gè)泡泡。也不是所有泡泡都需要肥皂幫忙，在零重力的條件下，甚至可以只用水來(lái)制造一個(gè)泡泡膜。一次，一位美國(guó)宇航員在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)用不加肥皂的水也可以在細(xì)金屬絲圈上制造水膜。在零重力環(huán)境下，當(dāng)他第一次把金屬環(huán)放進(jìn)水里拿出來(lái)的時(shí)候，水膜頑強(qiáng)地附著在金屬環(huán)上，形成一個(gè)大的水膜。

在廚房里你不妨也試試這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在碗里注滿水然后放進(jìn)可以調(diào)節(jié)大小的金屬環(huán)。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，不管如何努力，都不可能制造出直徑超過(guò)1厘米的水膜。此外，任何輕微的抖動(dòng)或者微弱的氣流都會(huì)使其破裂。然而在零重力環(huán)境下，水膜直徑卻可達(dá)5～11厘米，并且相當(dāng)有韌性，能經(jīng)受各種各樣機(jī)械手段的折磨，劇烈地?fù)u它、吹它都不會(huì)碎。

什么原因讓薄膜在太空中如此堅(jiān)韌呢其實(shí)答案很簡(jiǎn)單。假設(shè)你在地面做了一個(gè)水膜，令其與地表平行，它在受到表面張力的同時(shí)還受到地球引力，膜的中央下陷松弛，水就會(huì)沿著膜的邊緣向中心流動(dòng)，使中心的水越積越多直至將膜扯破。但如果置身于環(huán)地軌道的空間站，水膜就會(huì)在無(wú)重力狀態(tài)下自由漂浮，僅僅受到表面張力，中央不會(huì)下陷。薄膜甚至可以堅(jiān)持12小時(shí)以上。

當(dāng)然了，就算是在地面上，一般人認(rèn)為肥皂泡的“壽命”太短這一點(diǎn)，也不是完全正確的：如果照顧周到，可以使肥皂泡保存到幾十天。一個(gè)水汽飽和的密閉容器就足以延緩蒸發(fā)速度，使泡泡存活更久。在美國(guó)的印第安納州曾有人將一個(gè)泡泡保存了341天！如果你有興趣，趁現(xiàn)在就躺在浴缸中，浴室的濕度又比較大，趕緊找只廣口瓶往里面吹一個(gè)，然后蓋上蓋密封，看看有沒(méi)可能破紀(jì)錄。