馮衛(wèi)東

氣泡的破裂似乎是一個(gè)簡單的、平淡無奇的事件，然而，氣泡破裂的背后卻隱藏著一個(gè)精美而復(fù)雜的物理學(xué)過程。

氣泡不是簡簡單單地就化為烏有了，一個(gè)大氣泡會(huì)消散于一串小氣泡中。這一發(fā)現(xiàn)可稱得上是“爆破”科學(xué)領(lǐng)域所取得的一個(gè)進(jìn)步。

· 靈感來自偶然 ·

哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)系的畢業(yè)生詹姆斯·伯德及其同事在偶然的情況下發(fā)現(xiàn)了這一普遍規(guī)律。他們說，洗碗池中的泡沫和海洋中的泡沫破裂的方式其實(shí)是完全一樣的。

一次實(shí)驗(yàn)室會(huì)議激發(fā)了伯德和他的伙伴研究氣泡如何破裂的靈感。當(dāng)時(shí)他們正在研究在不同的表面?zhèn)鞑馀莸姆椒?，他們注意到了生成的這些小氣泡串，于是決定一探究竟。

“自此之后，只要是下雨天，無論任何時(shí)候，我都要跑到水坑周圍去觀察氣泡的破滅?！辈抡f，“當(dāng)我在大海中游泳時(shí)，我也要對(duì)著海水表面的氣泡盯一會(huì)兒，看看能否觀察到同樣的效果。我很快意識(shí)到，這種現(xiàn)象無處不在。”

· 氣泡破滅兩部曲 ·

為了使表面積最小化，一個(gè)泡沫在接觸到固體或液體界面時(shí)會(huì)接近于半球形。當(dāng)這些半球形氣泡爆裂時(shí)，通過兩個(gè)步驟創(chuàng)建出一串小氣泡。由此產(chǎn)生的小氣泡雖早已司空見慣，但這些小氣泡串到底是怎樣產(chǎn)生的卻從未有文獻(xiàn)報(bào)道過。

伯德認(rèn)為，氣泡的曲面特性在此過程中起著關(guān)鍵的作用，因?yàn)檫@種形狀會(huì)導(dǎo)致氣泡內(nèi)部壓力高于外部。一旦氣泡打破平衡（如爆裂），表面張力就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)的合力。第一步，氣泡收縮時(shí)，作用在氣泡上的力會(huì)引起泡膜罩住自己，因此在圓環(huán)面內(nèi)陷出一個(gè)空氣氣囊。第二步，表面張力將這個(gè)氣囊破裂成一串更小的氣泡，這就像是淋浴頭中的細(xì)小水流會(huì)因表面張力而成為一個(gè)個(gè)的水滴。

不過，這種級(jí)聯(lián)效應(yīng)是短暫的，在迄今為止的實(shí)驗(yàn)中發(fā)生次數(shù)不超過兩次。最小的氣泡不再形成球形帽并重新融入液體，這就是級(jí)聯(lián)的結(jié)束。

· 過程精美而復(fù)雜 ·

由于爆裂過程發(fā)生得太快，以至于用肉眼根本無法看到。研究小組利用高速攝影機(jī)拍攝了氣泡的破裂過程?；谟^測(cè)到的視頻，他們構(gòu)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來測(cè)試和復(fù)制他們的實(shí)驗(yàn)假設(shè)。

氣泡破裂背后的物理學(xué)過程似乎完全不受氣泡材料的影響。研究人員驚奇地發(fā)現(xiàn)，在像油這樣的粘性液體中仍能觀察到小氣泡串效應(yīng)，伯德希望繼續(xù)在熔融玻璃、巖漿和泥漿等更多特異性材料中研究類似的破裂效應(yīng)。

雖然了解氣泡如何破滅或許在近期無法提供任何實(shí)際應(yīng)用，但研究人員期望通過了解如何從較大的氣泡中創(chuàng)建出小氣泡，未來某一天可幫助人類了解各個(gè)領(lǐng)域。普林斯頓大學(xué)機(jī)械和宇航工程教授霍華德·斯通說：“我們認(rèn)為，這項(xiàng)研究的重點(diǎn)之一是大氣泡在氣霧形成中的作用?！?/p>

眾所周知，當(dāng)小氣泡在液體表面破裂時(shí)，會(huì)向上噴射小液滴。這種效應(yīng)在碳酸飲料中很容易觀察和感覺到。以氣泡作介導(dǎo)的氣霧劑也與健康和氣候方面的應(yīng)用相關(guān)。這些液滴可將海洋等大片水域中的諸如可溶性氣體或鹽等任何傳導(dǎo)性材料傳遞到空中。

· 在家中就可一試 ·

“許許多多的尖端科學(xué)成果必須利用專門的設(shè)備或儀器才能觀察到。我之所以熱愛此項(xiàng)研究，是因?yàn)槿魏稳嗽谒麄兊募依锞湍苡^察到整體效果，”伯德總結(jié)道，“這雖然是一個(gè)相對(duì)簡單的效果，但你最終可以觀察到美麗的圖案，得到具有普遍意義的結(jié)論?！?/p>

尖端科學(xué)通常不是隨便什么人在家里就能完成的。但是，只要你準(zhǔn)備一些肥皂水、一塊玻璃和一根稻草，就可以迅速復(fù)現(xiàn)出這個(gè)實(shí)驗(yàn)：你只要將稻草的一頭浸入水中，使其沾上肥皂水，然后將其放置在玻璃上，同時(shí)吹稻草的另一端，在玻璃上創(chuàng)建出一個(gè)約2厘米至3厘米大的半球形泡沫即可。

然后，你只須靜靜地等待泡沫破裂。如果你等得不耐煩了，也可以用手把它弄破。圍著泡沫邊緣仔細(xì)觀察，你就能看到那串美麗的小氣泡。endprint