纵是破灭也精美

冯卫东

气泡的破裂似乎是一个简单的、平淡无奇的事件，然而，气泡破裂的背后却隐藏着一个精美而复杂的物理学过程。

气泡不是简简单单地就化为乌有了，一个大气泡会消散于一串小气泡中。这一发现可称得上是“爆破”科学领域所取得的一个进步。

· 灵感来自偶然 ·

哈佛大学工程与应用科学系的毕业生詹姆斯·伯德及其同事在偶然的情况下发现了这一普遍规律。他们说，洗碗池中的泡沫和海洋中的泡沫破裂的方式其实是完全一样的。

一次实验室会议激发了伯德和他的伙伴研究气泡如何破裂的灵感。当时他们正在研究在不同的表面传播气泡的方法，他们注意到了生成的这些小气泡串，于是决定一探究竟。

“自此之后，只要是下雨天，无论任何时候，我都要跑到水坑周围去观察气泡的破灭。”伯德说，“当我在大海中游泳时，我也要对着海水表面的气泡盯一会儿，看看能否观察到同样的效果。我很快意识到，这种现象无处不在。”

· 气泡破灭两部曲 ·

为了使表面积最小化，一个泡沫在接触到固体或液体界面时会接近于半球形。当这些半球形气泡爆裂时，通过两个步骤创建出一串小气泡。由此产生的小气泡虽早已司空见惯，但这些小气泡串到底是怎样产生的却从未有文献报道过。

伯德认为，气泡的曲面特性在此过程中起着关键的作用，因为这种形状会导致气泡内部压力高于外部。一旦气泡打破平衡（如爆裂），表面张力就会产生一个向内的合力。第一步，气泡收缩时，作用在气泡上的力会引起泡膜罩住自己，因此在圆环面内陷出一个空气气囊。第二步，表面张力将这个气囊破裂成一串更小的气泡，这就像是淋浴头中的细小水流会因表面张力而成为一个个的水滴。

不过，这种级联效应是短暂的，在迄今为止的实验中发生次数不超过两次。最小的气泡不再形成球形帽并重新融入液体，这就是级联的结束。

· 过程精美而复杂 ·

由于爆裂过程发生得太快，以至于用肉眼根本无法看到。研究小组利用高速摄影机拍摄了气泡的破裂过程。基于观测到的视频，他们构建了一个数学模型来测试和复制他们的实验假设。

气泡破裂背后的物理学过程似乎完全不受气泡材料的影响。研究人员惊奇地发现，在像油这样的粘性液体中仍能观察到小气泡串效应，伯德希望继续在熔融玻璃、岩浆和泥浆等更多特异性材料中研究类似的破裂效应。

虽然了解气泡如何破灭或许在近期无法提供任何实际应用，但研究人员期望通过了解如何从较大的气泡中创建出小气泡，未来某一天可帮助人类了解各个领域。普林斯顿大学机械和宇航工程教授霍华德·斯通说：“我们认为，这项研究的重点之一是大气泡在气雾形成中的作用。”

众所周知，当小气泡在液体表面破裂时，会向上喷射小液滴。这种效应在碳酸饮料中很容易观察和感觉到。以气泡作介导的气雾剂也与健康和气候方面的应用相关。这些液滴可将海洋等大片水域中的诸如可溶性气体或盐等任何传导性材料传递到空中。

· 在家中就可一试 ·

“许许多多的尖端科学成果必须利用专门的设备或仪器才能观察到。我之所以热爱此项研究，是因为任何人在他们的家里就能观察到整体效果，”伯德总结道，“这虽然是一个相对简单的效果，但你最终可以观察到美丽的图案，得到具有普遍意义的结论。”

尖端科学通常不是随便什么人在家里就能完成的。但是，只要你准备一些肥皂水、一块玻璃和一根稻草，就可以迅速复现出这个实验：你只要将稻草的一头浸入水中，使其沾上肥皂水，然后将其放置在玻璃上，同时吹稻草的另一端，在玻璃上创建出一个约2厘米至3厘米大的半球形泡沫即可。

然后，你只须静静地等待泡沫破裂。如果你等得不耐烦了，也可以用手把它弄破。围着泡沫边缘仔细观察，你就能看到那串美丽的小气泡。endprint