误打误撞,一名本科生意外破解困扰物理学界的百年谜题

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误打误撞,一名本科生意外破解困扰物理学界的百年谜题
麻省理工科技评论 2019-12-29

2019-12-29

一名本科生由于积极向上且乐观的研究态度意外地引领他解决了一个“世纪难题”
物理 科学
一名本科生由于积极向上且乐观的研究态度意外地引领他解决了一个“世纪难题”

相信大家平常在喝碳酸饮料,或者往杯子里倒水的时候,都曾观察到气泡会从杯底或瓶底移动到水面的过程。

其背后的物理原理也很简单,即水的密度大于二氧化碳或空气的密度,而密度大的水会向下挤占空间,从而把较轻的二氧化碳或空气向上挤,进而造成气泡从底部被推挤到表面的现象。

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(来源:Quora)

然而,就是这么一个简单的现象,自被发现起,却包含着一个困扰了全球物理学家半个多世纪的问题:人们本认为只要没有阻力,气泡就会往上跑,但当盛装液体的容器是极细的长管时,气泡却仿佛“原地不动”,并不会从所在位置飘向水面。

解答这个问题,或将有助于解释为什么多孔岩石能存储天然气的现象。

值得庆幸的是,这一会让无数物理学家在好奇心爆棚的孩子面前颜面扫地的问题,终于在近日得到了解决。

解决者是一名曾就读于瑞士联邦理工学院的本科生,虽然他跟大多数本科生一样,并未期待过自己本科阶段的实验结果能发现什么,但积极向上且乐观的研究态度却最终意外地引领他解决这一“世纪难题”。这一研究结果发表在了 12 月 2 日的 Physical Review Fluids 杂志上。

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图丨此次论文(来源: Physical Review Fluids)

神奇的气泡之谜

该 “世纪难题” 在物理学界被称为“Bretherton 问题”。

Bretherton 生活在上世纪 60 年代,是首位尝试对此提出解释的物理学家。以 Bretherton 为代表的早期气泡问题研究者从气泡表面的薄膜形成理论出发,对多个流体力学算式在临界条件下联立求解,并设计了一套实验来验证他们的理论。但实验所测得结果却与预期大相径庭(如下图中第二个图所示,左侧为理论预期,右侧的渐进线为实验数据点所构成),这便是 Bretherton 问题的由来。

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(来源:Taylor, J Fluid Mech 10 (1961), 161 ; Bretherton, J Fluid Mech 10 (1961), 166)

而即使是在科技突飞猛进的今天,无论是怎样的复杂实验设计(如下图),物理学家们仍是对此束手无策。有人推测这种环境下的气泡周围或许存在着一层薄膜,能够抑制气泡向上的运动。

而在瑞士联邦理工工程力学实验室攻读学位的本科生 Wassim Dhaouadi 与实验室负责人 John Kolinski 的研究,则首次证明了这种薄膜的存在。

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(来源:University of Twente)

为了解决这一 “自相矛盾” 的气泡问题,两人决定用一种叫做 “干涉显微镜” 的方法来一探究竟,而这种方法与激光干涉引力波天文台 (LIGO) 探测引力波所用的方法相同。

在研究气泡时,研究人员使用这种定制的显微镜,将一束光照射到样本上,然后测量反射回来的光的强度。因为光线反弹的方式会根据它所照射的物体而有所不同,所以对反弹光线的测量可以帮助研究人员确定某种材料有多“厚”。通过这种方法,他们探测了一个装满异丙醇的细管里静止的气泡。Kolinski 说,异丙醇可以进行“自我清洁”,这是十分必要的,因为实验结果会被甚至一点的污染或污垢影响。

一些计算结果表明,气泡被一层极薄的液体包裹着,并与管子的侧面接触,然后会慢慢缩小,最终消失。当气泡试图向上移动时,这一薄层会对其运动产生阻力。

研究人员确实观察到了气泡周围的这一非常薄的液体,并测量到它大约有 1 纳米厚。正如理论工作所预测的那样,这就是抑制气泡运动的原因。

但他们也发现,液体层形成的原因是气泡中的压力与管子壁产生的反作用,然而液体层并没有消失,而是始终保持着恒定的厚度。

根据对薄液体层的测量,研究人员还能计算出它的速度。

Kolinski 说,他们发现气泡根本不是静止不动,而是由于薄液体层造成的阻力,以肉眼看不见的 “非常缓慢” 的速度向上移动。而气泡之所以会看起仿佛静止,是由于过薄的气泡与管壁间薄膜对气泡的运动造成了强流动阻力,并表示此次的研究结果排除了这一研究方向上的许多较新理论,比如认为薄膜的厚度会逐渐减为零的说法。他们也发现,加热液体和气泡能够使薄液体层消失。

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(来源: EPFL)

本科生的意外收获

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图丨 John Kolinski and Wassim Dhaouadi(来源: EPFL)

两位研究人员的这些发现,可能有助于为地球科学领域的一些问题提供新的思路。

Kolinski 说:“当我们遇到有气体在多孔介质中静止不动时,比如在多孔岩石中的天然气;或者我们想反向操作,把二氧化碳存储在岩石中时,就会用到这一研究。我们的观察解释了为什么气泡静止不动,这背后正是物理学。”

另一个令人兴奋的地方是,这项研究表明,“任何人都可以基于前人的研究成果做出有价值的贡献” ,Kolinski 表示,正是 Wassim 推动这一研究走向成功的:“这项研究属于基础研究,其结果将有助于我们更好地理解纳米尺度的流体行为。Wassim 自加入之时起就是以兴趣为导向参与工作的,这点很棒,我们也因此能最终解决这个困扰了物理学界半个多世纪的‘重大难题’。”

Wassim 是以暑期实习身份进入实验室的,与大多数本科生一样,他起初并未期望过自己的课题能真正地产出些什么,在实验室实习重在体验科研过程以及增长经验。

但科学研究真正吸引人的地方就是这样,只要以客观事实为基础,对自然界中的事物一丝不苟地进行严谨探究,真相就会浮出水面。

Wassim 在接受外媒采访时表示,自己很高兴能在步入科研生涯的初期就成功地完成了一个完整的研究项目,并认为在实验室的工作与平常做作业完全是两回事。

“做作业时,你知道那些问题总有一个确定的答案,但在真正的研究工作中,没人能知道自己是否能最终解决所研究问题,以及自己最终究竟会发现什么”,他说。目前,Wassim 正在苏黎世联邦理工学院攻读硕士学位。

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