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第12章 为什么泡沫是圆的?

力与物质

世上所有的东西——你、这本书、满天的星星,都是由原子组成的。平均每英寸存在着80亿个原子。要想知道它是多么的微小,我们可以拿一本书来举例,看上去薄薄的一页书,却是50万个原子加起来的厚度。

在每个微小的原子里面,电子围绕着一团中子和质子急速运转,就如同行星围着恒星绕圈一样。原子通过电磁力将它们保持在一起,这种力是宇宙中的四大基本力之一。带负电荷的电子吸引带正电荷的电子,所以它们会保持在一定的轨道上。(闪电之所以呈现Z字型,同样是因为受到电磁力的作用。)

万有引力,也就是物质之间的相互吸引,是将行星保持在轨道上的一种力。在我们在脱掉鞋的时候,就是它让鞋子往下落在地板上的。比起电磁力,我们可能对万有引力更加关注,不过事实上电磁力是远远强于地球引力的。在同一原子中,电磁力对带电物质的吸引力(或者排斥力)要比万有引力要强上1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000倍。

在原子核里面,有一种更强大的力,叫做强力,它将质子和中子紧紧地结合在一起。而第四种力——弱力,则是原子核在爆炸瓦解时产生的放射力。

我们都对泡沫有着无限的喜爱,特别是肥皂泡,它们有着完美的圆形和闪亮的颜色。一位名叫希维·博伊斯的英国物理学家对泡沫有着极大的兴趣,甚至写了一本200多页的书,名字叫做《颜色和力对肥皂泡的重大影响》博伊斯把泡沫称作“奇妙的物体”,并且指出将泡沫聚集在一起的力存在于所有液体中,如果没有这这种力,你就不能把杯子里的茶倒掉,关不上正在滴水的龙头,也没法从一个池塘中蹚过去。

在一个气球中装满水,随着水的注入,气球有弹性的表层伸展得越来越大,它会不断地伸展直至破裂。

现在让我们来说说有关水滴的事情。在水龙头的下方聚集的水滴,悬挂在那里,不断变大。最后,当它的体积达到一定程度时,就落下来了。博伊斯提出,为什么水滴不会一直悬挂在水龙头上呢?他说,这时的水就像被装在一个像气球一样的有弹性的袋子里,当太多的水进入时,袋子就会破掉,水就落下来了。

实际上水滴周围并不存在袋子。但是,博伊斯说,肯定有一些东西像无形的外皮一样,让水滴紧紧结合在一起。

这种东西地叫做表面张力,是水和其他液体的特性。拿水来说,水表层里面的分子互相强烈地吸引着。而表层的水分子,却不会吸引它上面的气体分子。它们向下或向里吸着周围其他的水分子。这种“表面张力”在水中起到了“表皮”的作用。

这种“表皮”让水滴悬挂在龙头上而不致于落下,直到最后,它变得太大太沉,就掉下来了。

博伊斯指出,不同的液体有着不同的“表皮”,它们或强或弱。拿乙醇来说,它的表面张力比水要小,所以不太容易形成滴状。但如果是液体水银的话,当它的液滴从一只碎温度计中滑落在地板上时,会产生比水大六倍的表面张力。

表面张力同样作用于肥皂泡的聚集。当你把一根吸管浸泡在肥皂溶液中,然后把它拿出来,你会发现管子上面延伸着一层薄膜。吹一下管子,表面张力会让肥皂薄膜像有弹性的表皮一样伸展。这层薄膜渐渐包围住空气,然后形成泡泡飘走了。

由于泡沫这层有弹性的“表皮”,肥皂泡当中的空气是处在压力之下的,气球里面的空气也是一样。压力的强度取决于泡沫被弯曲的松紧程度。弯得越紧,泡沫越小,其中的空气的压力就越大。博伊斯做了一些实验,指出那些从肥皂泡中冲出的空气,就如同气球破裂时气体喷射一样,能使蜡烛的火焰熄灭。

但是,为什么泡沫会是圆的呢?答案就是:表面张力能使液体薄膜达到最紧凑的形状,而自然界最紧凑的形状就是圆形(而并不是长方形)。所以,泡沫里面的空气就被它周围的表面张力整齐地包围住了。(至少到泡沫破裂之前为止。)

不过,博伊斯告诉我们,通过努力也能让泡沫变成不是那么完美的圆形。比如,如果你将一个肥皂泡放在两个圆环之间,然后用力拉其中的任何一个圆环,就能使泡沫变成圆柱形。这些稍大的、不圆的肥皂泡更加不稳定。一个长长的圆柱形泡沫会渐渐形成一个“腰”,然后分裂成两个球状的泡沫。

为什么水滴会粘在杯子上?为什么昆虫能在水面上行走?为什么冬天的屋檐上会形成冰柱?下面让我们一起来寻找一下这些问题的答案。

首先,我们来观察一下液体的形态:就像拥挤的人群一样,液体中的分子(比如水)也是能够相互交错位置的。这使得液体可以流入各个角落和容器的所有缝隙中。尽管比固体中的分子要活动自如,液体中的分子也是互相吸引着的。(不过,水分子之间的相互吸引不像其他液体那么强烈,比如蜂蜜。所以蜂蜜是粘稠的,流动起来很慢;而水就比较稀,流动起来也比较快。)

既然液体中的分子也存在着吸引力,那么液体就和固体一样,也有自己的表层。(另一方面,气体中的分子会朝各个方向四处分散。当水变成水蒸汽的时候,它的表层也就跟着消失了。)

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