pixabay。com
撰文 | 二宗主
圖片 | 嶽 嶽
●
●
●
無論是宇宙深處神秘的黑洞的樣子，還是微觀世界中的亞原子粒子的行為，科學家已經解鎖了許多我們甚至無法用肉眼看到的事物的秘密。然而，令人驚訝的是，對於許多日常生活中的常見現象，科學家卻一直缺乏一個統一的解釋，或者直到最近才偶然發現了隱藏在其中的奧秘。
哭泣的紅酒杯
問題
紅酒杯壁上的 “眼淚” 是怎麼來的？
常見答案
輕輕搖晃旋轉一杯裝有紅酒的紅酒杯時，能看到杯壁上會掛著一層 “眼淚”。專業的評酒師會透過這層眼淚來判斷杯中酒的酒精含量，“眼淚”越多，酒精含量就越高。長期以來，人們對這種 “眼淚” 的理解是基於一種被稱為
馬蘭戈尼效應
（Marangoni effect）
的現象，這是一種由蒸發引起的液體流動：當酒杯在旋轉時，杯壁上會留下一層薄薄的酒，薄膜中的酒精的蒸發速度比其他液體
（主要是水）
更快，導致薄膜的表面張力高於酒杯底部的葡萄酒，由此產生的表面張力梯度造成了馬蘭戈尼效應，使得葡萄酒沿著酒杯一側流動。
但是，馬蘭戈尼效應並不能完全描述這種現象，它無法解釋為什麼這些 “眼淚” 還會向上流動。
最新進展
2020年，物理學家將之前一直被忽略的引力效應納入了考量之中，發現“眼淚”的向上流動可以被描述為一個爬升波，其厚度會在後緣突然下降，這種波很不穩定。因此，激波中的任何不均勻性都會造成厚厚的水滴，最終以“眼淚”的形式落下。
結論
一種不穩定的
激波
是這些 “眼淚” 的來源。
惱人的茶壺效應
問題
在日常生活中，也在如澆注、印刷和擠壓等工業過程中出現的“茶壺效應”，是如何產生的？
最新進展
將茶從茶壺倒出時，茶水會順著壺嘴、貼著壺壁向下，流到桌面。數世紀以來，製陶工匠們會透過調整容器邊緣來儘量避免這種情況的出現，然而並不能從理論上對此作出科學解釋。
2019年，物理學家發展出了一個能定量描述這種現象的模型。他們以30°傾角，將毛細水流噴射到垂直玻璃圓柱體上，以此來觀察液體附著在圓柱體上的情況；再透過選用不同直徑、不同材料的玻璃管來進行重複實驗。
圖片來源：E。 Jambon-Puillet et al。/Phys。 Rev。 Lett。
他們發現，毛細水流的運動是否受圓柱體的影響，取決於毛細水流的初始速度，以及毛細水流的粗細。在將直徑為0。5毫米的毛細水流，噴射到直徑為3毫米的玻璃圓柱上時，當水流速度超過1毫升/秒，圓柱體對毛細水流的直線軌跡幾乎沒有影響；當流速降低，水流開始慢慢繞圓柱偏斜；當流速降至約0。5毫升/秒時，水流幾乎開始完全附著在圓柱體上盤繞。透過對這些螺旋形狀以及其形成進行建模，他們首次成功地預測出了這種射流盤繞的閾值流動條件。
結論
水流的初始速度以及幾何決定了它是否會貼著壺壁下流。
直立的腳踏車
問題
在我們騎腳踏車的時候，為什麼它能夠保持不倒？
常見答案
這是由 “迴轉效應”
（ gyroscopic effect）
造成的。迴轉效應出現在當一個物體繞著軸高速旋轉時，“高速” 是這裡的關鍵詞，比如在桌面上旋轉的硬幣，只有速度足夠快才不會倒下。
但這種說法可能並不正確。因為如果腳踏車的直立是由迴轉效應維持的，那麼任何人都可以在第一次蹬上腳踏車就輕鬆上路。2011年，有研究人員製造了一輛實驗用腳踏車，發現當腳踏車的執行速度在一定範圍內，它便能在沒有人騎、沒有迴轉效應的情況下，神奇地自行控制和調節平衡，維持直立。
可能答案
在很大程度上，大腦在維持腳踏車的直立執行上起到了關鍵作用。在騎車時，我們其實在做微小的左右轉向，當要向右倒下時，我們會下意識地向右轉一點，以儘可能地維持輪子在我們的身下移動。這種搖擺轉向對新手來說尤為明顯，但對於經驗老道的騎手來說就幾乎難以察覺。但即便感受不明顯，這些微小的擺動仍然存在。
結論
對於這個看似簡單的問題，科學家仍沒有確切的答案。
什麼是玻璃？
問題
玻璃是如何實現從液態到非晶態固體的轉變的？
疑惑所在
玻璃是種無定形固體，它意味著這種材料缺乏固體本該有的有序分子結構，卻又堅固得無法被歸為液體。大多數物質在從液態轉變成固態時，分子會從可自由移動的狀態立刻重新排列成緊密有序的模式；但是玻璃在從一團紅熱的液體變為透明固體的過程中，分子的運動不會隨著溫度的下降而出現突然的變化，而是既保持液體的無序分子結構，又具有固體才有的物理特性。
有一種理論認為這取決於能量的使用。根據熱力學定律，每個分子集合都會被迫尋找能量最低的排列方式。但在任何給定系統中，有的區域會比其他區域做得更好，這意味著不同組的分子會形成不同的構型，從而在整體上形成一種不可調和的混沌排列。
最新進展
2020年，DeepMind 公司利用人工智慧對玻璃在固態化過程中的分子如何變化進行了研究。他們發現物理學的相變研究中的一個重要概念—— “相關長度” 可能與此有關，相關長度可被理解為度量一個粒子可對其他粒子產生影響的距離：隨著溫度下降，即在玻璃化轉變出現時，相關長度會相應地增長，這標誌著玻璃化轉變的出現；意味著雖然從宏觀角度來看，不同溫度下的玻璃看起來一樣，但實際上在分子層面出現了不同的情況。
結論
玻璃的微觀結構雖看起來沒有什麼規律，但可能具有比之前以為的更可預測的動態變化。但至今為止，玻璃化轉變的基礎機制仍是一個懸而未決的問題。
懸浮氣泡
問題
在狹窄的試管中，氣泡為何會 “卡住”，無法向上升騰？
猜測
有說法認為，在厚度只有幾毫米的試管中的氣泡之所以不會上升，是因為氣泡和管壁之間形成了一層液體薄膜，這層薄膜能將氣泡固定在一個地方。但一直以來，這種說法並沒有得到驗證。
進展
2019年，一名物理學家透過實驗設計，證實了在這種情況下的氣泡周圍，的確會形成一層非常薄的液體薄膜；並且這些氣泡並沒有真的被卡住，而是在以極度緩慢的速度向上移動，只是由於薄膜太薄，厚度大約只有幾十奈米，因而產生了太強的阻力，大大減緩了氣泡的上升速度。
結論
氣泡和管壁存在一層奈米級的液體薄膜，這層薄膜極大地阻礙了氣泡上升。
折斷意麵挑戰
答案
這個問題中的關鍵詞是 “兩段”，每次，意麵總是會被折成三段甚至更多，而背後的原因曾令費曼都困惑不已。2005年，法國物理學家發現，當從兩端均勻地彎曲如意麵般的桿狀物時，桿狀物會從中間彎曲最厲害的部分折斷，這種初始斷裂會觸發 “回彈” 效應和彎曲波。在回彈效應下，桿狀物在最初斷裂後會產生次級波，而次級波又會引發更多的斷裂，導致義大利麵在多數時候只能斷裂成三段或更多段。
進展
意麵究竟有可能只被折斷成兩段嗎？2018年，有物理學家發現答案是肯定的：他們發現當桿狀物被扭轉到超過某個臨界角度，再緩慢彎曲時，就能斷成兩段。其背後的原因是當桿狀物斷裂時，它會回彈到與原來彎曲方向相反的方向；但在扭轉存在的情況下，這種回彈會被削弱。此外，正如回彈會產生一個 “彎曲波” 使得杆來回振動一樣，扭轉也會產生 “扭轉波”，使得杆來回扭轉，直到最終靜止。扭轉波比彎曲波傳播得快，使能量耗散，從而防止了更多的斷裂。
結論
在對摺意麵時，中間彎曲最厲害的部分的斷裂會觸發 “回彈” 效應和彎曲波，從而在最初斷裂後產生次級波，會引發後續的斷裂。但是如果在對摺意麵之前對其進行足夠強烈的扭轉，就不會再產生第二次斷裂。
冰，為什麼那麼滑？
問題
冰為什麼這麼滑？
常見答案
冰的表面會形成一層液態水，這層融水薄膜可以起到潤滑作用。
然而一直以來，人們並不確定這層融水薄膜是否真的存在。而且一種液體潤滑與否，取決於它從兩個表面間的間隙中被擠出時所遭遇的阻力大小。而液態水的粘度很低，它並非一種好的潤滑劑。
可能答案
2019年，法國的物理學家利用一種新穎的測力儀，在一定程度上揭曉了答案。他們發現，冰的表面確實存在一層物質，但它並不是一層簡單的融水薄膜，而是介於液態水和冰之間，像油一樣粘稠的冰水和碎冰的混合。這層混合物的性質既不同於普通的水，也不同於冰，它既具粘性
（來自水）
，也具彈性
（來自冰）
。它的厚度非常薄，約只有頭髮的百分之一。
結論
正是這層薄薄的具有粘彈性的、不易從間隙中被擠出來的冰水與碎冰混合的薄膜，使得冰如此的滑。
參考資料
https：//phys。org/news/2016-05-bike-upright-surprisingly-mind。html
https：//www。bbc。co。uk/bitesize/articles/zf6v6v4
https：//www。newscientist。com/article/mg22730370-400-how-does-a-bicycle-stay-upright/
https：//physics。aps。org/articles/v13/s36
https：//www。newscientist。com/article/mg22730370-900-what-is-glass/
https：//journals。aps。org/prx/abstract/10。1103/PhysRevX。9。041025
https：//phys。org/news/2019-12-student-year-old-physics-enigma。html
https：//journals。aps。org/prfluids/abstract/10。1103/PhysRevFluids。4。123601
https：//www。eurekalert。org/pub_releases/2019-08/ccft-nmm080719。php
http：//stilton。tnw。utwente。nl/people/snoeijer/Papers/Submitted/JambonPuillet2019。pdf
https：//phys。org/news/2019-05-tea。html
https：//physics。aps。org/synopsis-for/10。1103/PhysRevLett。122。184501
製版編輯
|
皮皮魚