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本科生解开了一道物理学百年难题

放大字体  缩小字体发布日期:2020-01-01 13:31  浏览次数:25
摘 要:用玻璃杯喝雪碧的时候,你或许见过杯中的无数小气泡争先恐后地浮至液面。我们不会因此感到困惑,毕竟这一现象非常符合经典的浮力
 用玻璃杯喝雪碧的时候,你或许见过杯中的无数小气泡争先恐后地浮至液面。我们不会因此感到困惑,毕竟这一现象非常符合经典的浮力定律。
 
  但是,大约在一个世纪前,物理学家发现,如果把碳酸饮料倒在非常细长(内径几毫米)的试管中,气泡竟然不会上浮!理论上讲,除非流体运动,否则气泡不应受到任何阻力。因此,本应上浮的气泡卡在那里,科学家无法对这一现象给出解释。
  物理学中的“Bretherton 问题”
 
  直到1960年代,一位名叫布雷瑟顿(Bretherton)的科学家根据气泡形状和液体薄膜理论构造了一组方程来解释这一反常现象。但遗憾的是,理论公式给出的预测与随后的实验结果大相径庭,因此其他研究人员猜测,气泡和过细的管壁之间有一层阻碍气泡的液体薄膜。但即便到了现代,利用更加尖端的仪器设计的精巧实验,也无法彻底验证。
 
  现在,瑞士联邦理工工程力学(EMSI)实验室的本科生 Wassim Dhaouadi解开了这个困扰科学家100年的谜团。根据他的研究和观察,证实气泡周围存在一层超薄的液膜,阻止了气泡的自由上浮。确切地说,他发现,实际上,气泡并非被彻底卡住,只是在非常非常缓慢地移动。
 
  为了拿到学士学位,以实习生的身份进入实验室的Wassim Dhaouadi选择了Bretherton 问题,但并未期待能够获得突破。结果,他不但给出了观测结果,还从理论上描述和计算了过程中的各种参数,这是之前从未有过的事情。Dhaouadi的论文最近发表在《物理评论·流体》(Physical Review Fluids)上,标志着我们首次通过实验校正了Bretherton 问题的理论解。
 
  Dhaouadi和EMSI实验室负责人John Kolinski借助 “干涉显微镜” 方法来寻找液膜的踪迹,核心原理与激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探测引力波的技术相同。步骤包括,将光引导到窄管内的气泡上并分析反射强度;利用从管内壁和气泡表面反射的干涉光路,他们可以精确地测量薄膜的厚度——只有几十纳米厚。
 
  Dhaouadi还发现,如果将热量施加到气泡上,薄膜就会变形,一旦热量消失,薄膜又会恢复原始形状。论文合著者John Kolinski表示:“这一发现推翻了最新的理论,即液体薄膜会逐渐变薄,直至厚度为0。”
 
  测量结果还显示,气泡实际上在移动,尽管速度太慢以至于人眼无法感知。Kolinski说:“由于气泡与管之间的薄膜太薄,所以产生了很强的流动阻力,从而大大减慢了气泡的上升。”
 
  这些发现与基础研究有关,但可用于纳米级——尤其是生物系统中——的流体力学。
 
  “我很高兴在学术生涯初期就成功地完成了一个完整的项目。”目前正在苏黎世联邦理工学院攻读硕士学位的Dhaouadi说。
 
  Kolinski补充说:“Dhaouadi在我们的实验室中作出了非凡的发现。我们很高兴与他共事。”
 
 
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