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可樂(lè)氣泡新發(fā)現(xiàn)：困擾科學(xué)家上百年的秘密，被一個(gè)本科生破解了

天天喝碳酸飲料，天天看杯子里“咕嚕咕嚕”上浮的氣泡，卻從沒想過(guò)在氣泡這件小事上，竟然有一個(gè)困擾了科學(xué)家們一個(gè)世紀(jì)的問(wèn)題。然而，這個(gè)問(wèn)題卻被一個(gè)本科生給破解了，真想請(qǐng)他收下我的膝蓋。

先來(lái)回憶一下我們喝“肥宅快樂(lè)水”時(shí)的情景。將一罐可樂(lè)倒入杯中，杯子里“嘭嘭嘭”地產(chǎn)生了許多氣泡，隨后，氣泡慢慢浮到水面上。這個(gè)現(xiàn)象用物理原理解釋就是氣泡的密度小于可樂(lè)的密度，于是水給氣泡的浮力大于氣泡的重力，導(dǎo)致氣泡向上運(yùn)動(dòng)。

不過(guò)請(qǐng)注意，這里的杯子是普通杯子，你家我家大家都有的杯子。但如果是一個(gè)不普通的杯子，比如，細(xì)成一根吸管的杯子呢？

100年前，就有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果一根很細(xì)的管子里盛有液體，那么里面的氣泡就不會(huì)往上浮動(dòng)。但至于為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象，就成了困擾科學(xué)家們一個(gè)世紀(jì)的問(wèn)題。

其實(shí)很早以前，就有人嘗試摘下破解這個(gè)問(wèn)題的勝利果實(shí)。上世紀(jì)60年代，一位名叫Bretherton的物理學(xué)家第一個(gè)嘗試對(duì)這個(gè)反常的現(xiàn)象作出解釋。因此這個(gè)問(wèn)題也被稱為“Bretherton問(wèn)題”。

Bretherton假設(shè)在細(xì)管中的氣泡周圍包裹著一層非常薄的液體薄膜，它薄到我們的肉眼觀察不到。這個(gè)液體薄膜會(huì)和管壁接觸，當(dāng)浮力想讓氣泡往上漂浮時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生摩擦阻力，當(dāng)重力、浮力、摩擦力平衡以后，氣泡便靜止不動(dòng)了。然而理論再漂亮，也需實(shí)驗(yàn)的支持。為了在實(shí)驗(yàn)上觀察到液體薄層的存在，Bretherton設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置嘗試觀測(cè)它。然而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論的預(yù)測(cè)完全不符，假設(shè)失敗了。

科學(xué)家們并沒有停止好奇心，可即便他們?cè)诤罄m(xù)的各種實(shí)驗(yàn)中絞盡腦汁，設(shè)計(jì)了各種復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置，卻都未能發(fā)現(xiàn)液體薄膜的存在。

然而最近，這個(gè)困擾了無(wú)數(shù)科學(xué)家一個(gè)世紀(jì)的難題，竟然被一個(gè)本科生給破解了。在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院柔性界面工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)習(xí)的本科生Wassim設(shè)計(jì)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)了這種液體薄膜的存在。

他和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Kolinski使用了一束光，照在樣本上，然后又使用了一種定制的干涉顯微鏡測(cè)量反射回來(lái)的干涉光。物理課本告訴我們，光在通過(guò)不同介質(zhì)的界面時(shí)，會(huì)反射一部分回來(lái)，因此，光在通過(guò)管壁與薄膜、薄膜與氣泡這兩個(gè)界面時(shí)都會(huì)反射一部分，但由于通過(guò)薄膜與氣泡界面反射回來(lái)的光，相比前者多走了薄膜兩倍寬的距離，于是這反射回來(lái)的兩束光就會(huì)有一個(gè)相位差，因此它們會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

根據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)原理，他們倆成功測(cè)量出薄膜的厚度——大約是1納米！現(xiàn)在你該知道為什么那么多科學(xué)家做了那么多實(shí)驗(yàn)都找不到氣泡上的薄膜了，因?yàn)樗鼘?shí)在是太薄了！

好了，難題倒是破解了。但另一個(gè)問(wèn)題是，一個(gè)世紀(jì)以來(lái)的科學(xué)家們?cè)趺炊寄敲撮e，一定要糾結(jié)于氣泡為什么在細(xì)管容器里不能浮上水面？其實(shí)破解這個(gè)問(wèn)題，或許才能解釋另一個(gè)困惑了科學(xué)家們很久的問(wèn)題：為什么疏松多孔的巖石中能夠存儲(chǔ)天然氣。

如果天然氣在巖石中也被一層很薄的液體薄膜包圍著，那么它們確實(shí)可以附著在多孔的巖石中不上浮。Wassim還指出，當(dāng)加熱管壁后，這層薄膜會(huì)逐漸消失，這或許為以后研究、開發(fā)天然氣提供了理論與技術(shù)上的指導(dǎo)。