本文授權轉載自DeepTech（ID：deeptechchina）
相信大家平常在喝碳酸飲料，或者往杯子裡倒水的時候，都曾觀察到氣泡會從杯底或瓶底移動到水面的過程。
其背後的物理原理也很簡單，即水的密度大於二氧化碳或空氣的密度，而密度大的水會向下擠佔空間，從而把較輕的二氧化碳或空氣向上擠，進而造成氣泡從底部被推擠到表面的現象。
然而，就是這麼一個簡單的現象，自被發現起，卻包含著一個困擾了全球物理學家半個多世紀的問題：人們本認為只要沒有阻力，氣泡就會往上跑，但當盛裝液體的容器是極細的長管時，氣泡卻彷彿“原地不動”，並不會從所在位置飄向水面。
解答這個問題，或將有助於解釋為什麼多孔岩石能存儲天然氣的現象。
值得慶幸的是，這一個會讓無數物理學家在好奇心爆棚的孩子面前顏面掃地的問題，終於在近日得到了解決。
解決者是一名曾就讀於瑞士聯邦理工學院的本科生，雖然他跟大多數本科生一樣，並未期待過自己本科階段的實驗結果能發現什麼，但積極向上且樂觀的研究態度卻最終意外地引領他解決這一“世紀難題”。這一研究結果發表在了 12 月 2 日的 Physical Review Fluids 雜誌上。
圖丨此次論文（來源： Physical Review Fluids）
神奇的氣泡之謎
該 “世紀難題” 在物理學界被稱為“Bretherton 問題”。
Bretherton 生活在上世紀 60 年代，是首位嘗試對此提出解釋的物理學家。以 Bretherton 為代表的早期氣泡問題研究者從氣泡表面的薄膜形成理論出發，對多個流體力學算式在臨界條件下聯立求解，並設計了一套實驗來驗證他們的理論。但實驗所測得結果卻與預期大相徑庭（如下圖中第二個圖所示，左側為理論預期，右側的漸進線為實驗數據點所構成），這便是 Bretherton 問題的由來。
（來源：Taylor, J Fluid Mech 10 (1961), 161 ; Bretherton, J Fluid Mech 10 (1961), 166）
而即使是在科技突飛猛進的今天，無論是怎樣的複雜實驗設計（如下圖），物理學家們仍是對此束手無策。有人推測這種環境下的氣泡周圍或許存在著一層薄膜，能夠抑制氣泡向上的運動。
而在瑞士聯邦理工工程力學實驗室攻讀學位的本科生 Wassim Dhaouadi 與實驗室負責人 John Kolinski 的研究，則首次證明了這種薄膜的存在。
（來源：University of Twente）
為了解決這一 “自相矛盾” 的氣泡問題，兩人決定用一種叫做 “干涉顯微鏡” 的方法來一探究竟，而這種方法與激光干涉引力波天文臺 (LIGO) 探測引力波所用的方法相同。
在研究氣泡時，研究人員使用這種定製的顯微鏡，將一束光照射到樣本上，然後測量反射回來的光的強度。因為光線反彈的方式會根據它所照射的物體而有所不同，所以對反彈光線的測量可以幫助研究人員確定某種材料有多“厚”。通過這種方法，他們探測了一個裝滿異丙醇的細管裡靜止的氣泡。Kolinski 說，異丙醇可以進行“自我清潔”，這是十分必要的，因為實驗結果會被甚至一點的汙染或汙垢影響。
一些計算結果表明，氣泡被一層極薄的液體包裹著，並與管子的側面接觸，然後會慢慢縮小，最終消失。當氣泡試圖向上移動時，這一薄層會對其運動產生阻力。
研究人員確實觀察到了氣泡周圍的這一非常薄的液體，並測量到它大約有 1 納米厚。正如理論工作所預測的那樣，這就是抑制氣泡運動的原因。
但他們也發現，液體層形成的原因是氣泡中的壓力與管子壁產生的反作用，然而液體層並沒有消失，而是始終保持著恆定的厚度。
根據對薄液體層的測量，研究人員還能計算出它的速度。
Kolinski 說，他們發現氣泡根本不是靜止不動，而是由於薄液體層造成的阻力，以肉眼看不見的 “非常緩慢” 的速度向上移動。而氣泡之所以會看起彷彿靜止，是由於過薄的氣泡與管壁間薄膜對氣泡的運動造成了強流動阻力，並表示此次的研究結果排除了這一研究方向上的許多較新理論，比如認為薄膜的厚度會逐漸減為零的說法。他們也發現，加熱液體和氣泡能夠使薄液體層消失。
本科生的意外收穫
圖丨 John Kolinski and Wassim Dhaouadi（來源: EPFL）
兩位研究人員的這些發現，可能有助於為地球科學領域的一些問題提供新的思路。
Kolinski 說：“當我們遇到有氣體在多孔介質中靜止不動時，比如在多孔岩石中的天然氣；或者我們想反向操作，把二氧化碳存儲在岩石中時，就會用到這一研究。我們的觀察解釋了為什麼氣泡靜止不動，這背後正是物理學。”
另一個令人興奮的地方是，這項研究表明，“任何人都可以基於前人的研究成果做出有價值的貢獻” ，Kolinski 表示，正是 Wassim 推動這一研究走向成功的：“這項研究屬於基礎研究，其結果將有助於我們更好地理解納米尺度的流體行為。Wassim 自加入之時起就是以興趣為導向參與工作的，這點很棒，我們也因此能最終解決這個困擾了物理學界半個多世紀的‘重大難題’。”
Wassim 是以暑期實習身份進入實驗室的，與大多數本科生一樣，他起初並未期望過自己的課題能真正地產出些什麼，在實驗室實習重在體驗科研過程以及增長經驗。
但科學研究真正吸引人的地方就是這樣，只要以客觀事實為基礎，對自然界中的事物一絲不苟地進行嚴謹探究，真相就會浮出水面。
Wassim 在接受外媒採訪時表示，自己很高興能在步入科研生涯的初期就成功地完成了一個完整的研究項目，並認為在實驗室的工作與平常做作業完全是兩回事。
“做作業時，你知道那些問題總有一個確定的答案，但在真正的研究工作中，沒人能知道自己是否能最終解決所研究問題，以及自己最終究竟會發現什麼”，他說。目前，Wassim 正在蘇黎世聯邦理工學院攻讀碩士學位。
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參考：
https://phys.org/news/2019-12-student-year-old-physics-enigma.html
https://www.livescience.com/why-gas-bubbles-stuck-vertical-tubes.html
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