馮衛(wèi)東

氣泡的破裂似乎是一個簡單的、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，一個大氣泡會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)域所取得的一個進步。

· 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是完全一樣的。

一次實驗室會議激發(fā)了伯德和他的伙伴研究氣泡如何破裂的靈感。當(dāng)時他們正在研究在不同的表面?zhèn)鞑馀莸姆椒ǎ麄冏⒁獾搅松傻倪@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，我也要對著海水表面的氣泡盯一會兒，看看能否觀察到同樣的效果。我很快意識到，這種現(xiàn)象無處不在?！?/p>

· 氣泡破滅兩部曲 ·

為了使表面積最小化，一個泡沫在接觸到固體或液體界面時會接近于半球形。當(dāng)這些半球形氣泡爆裂時，通過兩個步驟創(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)生的卻從未有文獻報道過。

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

不過，這種級聯(lián)效應(yīng)是短暫的，在迄今為止的實驗中發(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拍攝了氣泡的破裂過程。基于觀測到的視頻，他們構(gòu)建了一個數(shù)學(xué)模型來測試和復(fù)制他們的實驗假設(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領(lǐng)域。普林斯頓大學(xué)機械和宇航工程教授霍華德·斯通說：“我們認為，這項研究的重點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，會向上噴射小液滴。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。我之所以熱愛此項研究，是因為任何人在他們的家里就能觀察到整體效果，”伯德總結(jié)道，“這雖然是一個相對簡單的效果，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。”

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)出這個實驗：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，同時吹稻草的另一端，在玻璃上創(chuàng)建出一個約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。圍著泡沫邊緣仔細觀察，你就能看到那串美麗的小氣泡。endprint