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物理本科生验证百年谜题
2019-12-09 21:19

物理本科生验证百年谜题

本文来自微信公众号:原理(ID: principia1687),作者:椰叶,封面来自:东方IC


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在日常生活中,我们可能常常看到以下场景:


一杯置于室温下的水,有小气泡从其杯子的边缘和底部冒出,这是因为水中充满了溶解的气体和其他物质,当它被单独留在水中不受干扰时,这些物质就会从水中分离出来。


另一个场景就是,在起泡的啤酒或苏打水中,泡沫会在杯子的侧面聚集和流动。这是由于杯子表面的缺陷造成的,给碳酸化的液体一个以气泡的形式释放碳酸的“出口”。


一杯水中的微小气泡会附着在水杯的一侧,但碳酸液体中的气泡可以很轻易地向上漂浮,因为它们所具有的能量超过了能使气泡附着在水杯一侧的表面张力。然而,在狭窄的试管中,即使是很小的气泡也会被表面包围。长期以来,科学家猜测在这种情况下的气泡周围存在一个微小、但完好无损的“薄膜”,将气泡固定在了一个地方。但这种说法一直停留在理论阶段,没有人能对其加以验证。


最近,一名来自洛桑联邦理工学院(EPFL)的本科生,解开了这个已经困扰了科学家100年的谜题。他发现了为什么在狭窄的垂直管道内,气泡会停在那里,而不是向上升腾。根据他的研究和观察,确认了在这种情况下,气泡的周围的确会形成一层超薄的液体薄膜,阻止了它自由上升。与此同时他还发现,这些气泡实际上根本没有被卡住——它们在移动,只是移动得非常非常缓慢。


○ 被困在狭窄试管中无法上升的气泡。| 图片来源:EPFL


2


我们可以用非常基本的自然定律来解释为何一杯水中的气泡能自由地浮到水面,然而,同样的科学定律却不能解释为什么在几毫米厚的试管中,气泡不会以同样的方式上升。在近一个世纪前,物理学家首次注意到这一现象,但没人能解释这一奇怪的现象。从理论上讲,除非流体在运动,否则其中的气泡不应该遇到任何阻力才对;因此,按道理不应该存在因为阻力而卡在那里的气泡。


早在20世纪60年代,一位名叫布雷瑟顿(Bretherton)的科学家根据气泡的形状用一个公式来解释了这一现象。其他研究人员则认为,气泡不会上升是因为气泡和管壁之间形成了一层液体薄膜。但这些理论都无法完全解释为什么泡沫不会上升。


Wassim Dhaouadi是EPFL工程学院的一名本科学生,他不仅观察了那层液体薄膜,并且还对其特性进行了测量和描述——这是以前从未有人做过的事。他的发现表明,这些气泡并没有像科学家先前所认为的那样被卡住,而是在以极其缓慢的速度向上移动。Dhaouadi将他的发现发表在了近期的《物理评论流体》杂志上,这是首个为这一问题提出的实验证据。


Dhaouadi与实验室的导师John Kolinski用一种类似于质谱的观察方法解决了这个问题。他们使用了一种光学干涉方法来测量薄膜,分别在狭窄的试管侧面和气泡的表面用光进行照射,然后利用反射的强度来推断薄膜的厚度。在分析了由试管内壁和气泡表面反射的光形成的干涉图样之后,他们精确地测得了薄膜的厚度——大约只有几十纳米。


不仅如此,Dhaouadi还发现,如果将热量施加到气泡上,薄膜的形状就会发生改变,一旦移除热量,薄膜又会恢复到原来的形状。这一发现推翻了之前认为的薄膜的厚度会降为零的理论预测。


测量数据表明,这些气泡在以肉眼无法捕捉到的缓慢速度移动。之所以如此缓慢,是因为气泡和试管之间的薄膜很薄,所以会产生很强的阻力,因而大大减缓气泡的上升速度。


3


这一发现是Dhaouadi在本科期间作为暑期研究助理时在Kolinski的实验室作出的。Kolinski说:“他实际上是出于对研究的兴趣才参与进来的,并最终发表了一篇属于他的研究论文,解决了一个存在了一个世纪的难题。”


目前,Dhaouadi正在苏黎世联邦理工学院(ETH )攻读硕士学位,他说:“我很高兴在学习的早期阶段就参与到了研究项目中。这是一种新的思考和学习方式,与为了完成作业而答题截然不同,因为你有可能很难找到解决方案。起初,我们甚至不知道这个问题是否有解决的办法。”


解决这样一个问题不仅是一件有趣的事,也是基础研究的一个重大突破。这些在纳米尺度上的流体动力学研究与许多和健康相关的生物学研究有关,比如了解血液在人体血管中的流动。理解阻力和流动可以帮助科学家研究如何探索和处理与血管有关的问题。


参考来源:

http://phys.org/news/2019-12-student-year-old-physics-enigma.html  

http://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.4.123601  


本文来自微信公众号:原理(ID: principia1687),作者:椰叶

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