一个颠覆性答案，登上《科学》封面：是什么弄破了这些泡泡？ | 科学GIF

在粘性液体表面，形成的气泡是如何破裂的？这个问题看似简单，但在很长一段时间内，我们拥有的答案都是错误的。直到本周，发表于《科学》杂志的一项研究在将液体倒过来之后，颠覆了此前的认知：造成粘性气泡破裂的不是重力，而是表面张力。

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在粘性液体表面，形成的气泡是如何破裂的？这个问题看似简单，但在很长一段时间内，我们拥有的答案都是错误的。直到本周，发表于《科学》杂志的一项研究在将液体倒过来之后，颠覆了此前的认知：造成粘性气泡破裂的不是重力，而是表面张力。

要理解这个问题，让我们首先来看看，液体中气泡从诞生到破裂的全过程。当液体中的气泡上升到液体表面，气泡首先形成一个薄膜穹顶。这时，气泡内的气体为气泡提供了支撑。不过，用不了多久，气泡最终还是破裂了。

对于这个现象，低粘度液体与高粘度液体有着全然不同的表现。在纯水等低粘度的液体中，气泡在几毫秒内就会迅速破裂。对于这类液体中的气泡破裂，科学家早已有了清晰的认识：表面张力和惯性控制了该过程。

这个结论对于高粘度液体同样成立吗？在这类粘性液体中，气泡破裂的速度要慢得多，破裂过程可能需要1秒，并且破裂的方式也与低粘度液体不同：它们会自行向内坍塌，从而造成结构不稳定，直观表现就是气泡周围出现径向的褶皱。

粘性气泡缓慢的破裂速度，也给了研究人员充足的时间来观察泡泡坍塌背后的物理机制。在20年前，就有研究仔细观察、分析了这一问题。当时的研究发现，在粘性液体的表面，在气泡上表面戳出一个洞时，这个洞会逐渐变大。在这个过程中，气泡下沉、收缩，直到形成平坦的圆盘状，而孔洞就位于圆盘中央。因此，科学家此前根据上述现象直观地推测：由于洞生长的速度不及落下的速度，这类气泡的坍塌是由重力驱动的。

不过，波士顿大学的工程师James Bird并不认同这个观点。为什么重力只在粘性气泡的坍塌中起作用？在他看来，这个猜想并不合理，为此他决定重做原始实验。为了研究重力在其中的作用，他在原实验的基础上增加了一项：观察上下位置颠倒的粘性气泡。

伯德与合作者使用的粘性液体与原实验相同：粘性相当于纯水100万倍的硅油。如此大的粘性使得少量硅油即使上下颠倒，也不会流出。

这时，他们在这些颠倒过来的硅油表面戳出气泡。他们发现，这时气泡坍塌的方式与此前正常的情况下完全一致：先是顶部的洞缓慢张开，而气泡其余部分“下落”，相对快速地变成平坦的圆盘状。但不要忘了，这时气泡“落”回粘性液体时，与重力的方向恰好相反。也就是说，此前重力起主导作用的观点并不成立。

这项研究的共同作者，波士顿大学的Alexandros Oratis表示：“（根据当时的实验）猜想重力导致气泡坍塌是有道理的，但当你计算薄膜上的作用力时，你会发现其表面张力远大于重力。因此，我们决定上下颠倒重新进行实验，从而确定重力真正的作用。”

表面张力的作用是使表面积最小化。当气泡呈弯曲的半球形时，其表面积相比于圆盘状时更大。在气泡内的压力大于气泡外时，表面张力起不到作用。但孔洞一旦形成，内外压力一致，就没有作用力可以维系气泡的曲率了。这时表面张力就会使表面积最小化，使得气泡不断收缩，直到变得平坦。

不过，表面张力对气泡不同位置的影响不尽相同。气泡顶部相比于接近气泡底部的位置更薄，因此顶部坍塌速率高于侧面的壁，从而让人误以为是重力起了作用。

当粘性气泡破裂时，气泡底部周围会出现径向的褶皱。这些径向褶皱是怎么回事呢？此前的研究对这些褶皱的解释是，导致气泡坍塌的重力足以克服表面张力，从而形成褶皱。但既然这个理论被推翻了，按理来说，表面张力会阻止这类褶皱纹路的出现，让表面变得平坦。那么，这些褶皱又是怎么形成的？

对于这个悖论，伯德给出的解释是：在气泡顶部，薄膜更薄，这里的表面张力可以阻止褶皱形成。但在更厚的气泡底部，气泡坍塌造成的收缩足以克服表面张力。

看到这里你可能要问，这项研究有实际意义吗？其实，对泡泡感兴趣的不仅是孩子，还有火山学家、胸腔科医生、玻璃工人等等科学、工业领域的工作者。气泡形成与破裂的物理机制，对于理解自然界与工业界的众多现象有着重要意义。

原始论文：

https://science.sciencemag.org/content/369/6504/685

参考链接：

https://www.insidescience.org/news/new-theory-says-we%E2%80%99ve-been-wrong-about-how-bubbles-pop

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-08/aaft-stn080320.php

编辑 ∑Gemini

编译：吴非

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