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本期视频节目灵感及猫粮来源于《茶杯里的风暴》[英] 海伦·切尔斯基
熟悉薛饿的朋友，都会了解我们比较喜欢“奇怪玄妙”的选题，比如会涉及到宇宙、哲学、悖论、反物质……这样的内容。仰望的“星空”固然使人浮想联翩，但脚踏的那个“实地”其实同样是星空的一部分，神秘莫测——尤其是当我们看完《茶杯里的风暴》的时候，这种感觉更是如此。
“旋转的生鸡蛋”和“人脑子里的水”、咖啡渍干了后形成的类似“尸体轮廓线”一样的痕迹、“牛奶均质乳化”和“病毒飞沫”的共通之处……这些平凡的琐事背后，同样隐藏着星辰大海的秘密，都蕴含着“万物之理”。
物理世界的丰富多彩超乎我们的想象，同样的原子和同样的规则以不同的方式组合在一起，就足以产生无数截然不同的结果。不过，这种多样性并非全无规律，世间万物的运行都遵循着自然的法则。
如果你把牛奶倒进茶水里快速搅拌，杯子里就会出现旋涡。两种液体旋转交缠，几乎称得上泾渭分明，而这样的奇景只能维持几秒，片刻之后，两者就会完全融合在一起。不过，这短短的几秒钟足以让你看清，不同的液体会在美丽的旋涡中逐渐融合，而不是立即交融。
我们在其他地方也能看到同样的现象。从太空中俯瞰地球，你会在云团中发现相似的旋涡，暖空气和冷空气不会直接融合，而是互相缠绕旋转，仿佛在跳一曲美妙的华尔兹。大西洋上空的旋涡定期向东运动，带来变幻无常的天气……乍看之下，旋转的风暴和马克杯里旋转的茶水似乎毫无关联，但它们相似的模式绝非出于巧合，其中蕴含的线索可以揭示更本质的规律。类似的构造隐藏着相同的道理，一代又一代人不断探索并通过严格的实验验证了这一点。这个探索与发现的过程就是科学：不断总结、验证我们对世界的理解，并发掘更多有待探索的东西。
在这期节目中，我们节选了《茶杯里的风暴》的一部分内容和大家分享， “偷吃奶油的蓝山雀”这件事和“咳嗽飞沫”之间，背后竟然有着同样的物理原理。
同时也推荐大家去文末购买这本由“BBC专栏作家/主持人、剑桥大学物理学博士”撰写的这部科普作品。
偷吃奶油的蓝山雀
有的鸟儿最喜欢金色和银色瓶盖的牛奶瓶。要是你起得够早，开门的时候够小心，也许你能抓个现行。眼睛明亮的小鸟趾高气扬地站在牛奶瓶上，一边透过它在瓶口铝箔上啄出的小洞匆匆偷吃奶油，一边警惕地观察周围。一旦发现有人靠近，它就会立即飞走，或许去邻居家的门廊上碰碰运气。50年来，蓝山雀（bluetit）一直是英国偷吃奶油的大师。它们互相通气，都知道那张薄薄的铝箔下面就是富含脂肪的宝藏。其他鸟儿似乎还没发现这个，而蓝山雀每天早上都会守候送奶工的到来。但是突然有一天，这套把戏行不通了，不光是因为塑料牛奶瓶取代了玻璃瓶和铝箔封口，还因为一些更基本的东西发生了变化。以前牛奶瓶里的奶油必然会浮到顶层，但现在，情况不一样了。
饥饿的蓝山雀青睐的牛奶含有多种营养物质。牛奶的主要成分（约占90%）是水，水里漂浮着糖（即某些人无法消化的乳糖），还有蛋白质分子和较大的脂肪球。这些东西都混合在一起，不过静置片刻，牛奶就会分层。牛奶中的脂肪球个头很小，直径为1~10微米，也就是说，尺子上1毫米的刻度里可以填进去100~1000个脂肪球。这些小球的密度小于周围的水，因为同样体积的脂肪球质量更小。因此，尽管牛奶中的各种微粒都在不断运动、碰撞，但脂肪球的运动方向与其他物质有些不同。重力作用于水分子的拉力略大于作用于脂肪球的拉力，所以这些脂肪会被水分子轻轻向上推挤。这意味着尽管脂肪的浮力非常微小，它仍会缓慢地上升到牛奶的顶层。
问题在于：它上升的速度到底有多快？这时候我们就需要考虑水的黏性了。黏性衡量的是两层流体之间的摩擦力。想象一下，如果拿勺子搅动一杯茶，那么随着勺子的运动，勺子周围的液体也会随之旋转，与杯子里的其他液体产生相对运动和摩擦。水的黏性不算大，所以这些不同层的液体可以比较轻松地相对流动。不过，如果把这杯茶换成糖浆，你又会看到什么呢？糖分子彼此更加紧密，要让它们发生相对运动，你必须打破分子之间的羁绊。所以搅动糖浆比搅动茶水困难得多，因此我们会说，糖浆的黏性较大。
因为牛奶中的脂肪球拥有浮力，所以它们会被别的成分向上推挤。不过，要想真的浮到水面上，这些分子必须挤出一条路来。推挤过程中，不同层的液体必然产生相对运动，黏性也因此成为重要的影响因素。黏性越大，脂肪球上升遇到的阻力就越强。
战争在蓝山雀脚下的牛奶瓶里悄然爆发。每个脂肪球都被浮力推着向上移动，但周围的液体又会对它产生阻力。不同大小的脂肪球受到的阻力不同。体积越小，阻力越大。同样的上浮之路对小个子来说更艰苦，需要推开的液体更多，而它的浮力却比大个子小。因此，在同样的液体中，体积较小的脂肪球上升的速度比体积大的那些慢得多。一般来说，微观世界里黏性的影响力大于重力，所有东西移动的速度都很慢，物体的确切体积是非常关键的影响因素。
牛奶中体积较大的脂肪球上升得更快，体积较小、移动较慢的脂肪球会吸附在这些大球上面，形成脂肪球簇。这些球簇的阻力/浮力比相对更小，因为它们的体积比单个脂肪球大，所以上升的速度也更快。蓝山雀只需要蹲在瓶口静静等待，早餐就会自动送到脚下。
然后我们就要谈到均质乳化了。牛奶生产商发现，如果能让牛奶在极大的压强下从极细的管子里喷出去，就能打破牛奶中的脂肪球，让它们的直径缩减到原来的1/5。也就是说，这些脂肪球的质量会变成原来的1/125。在这种情况下，和重力紧密相关的浮力完全无法与黏性带来的摩擦力抗衡。经过均质乳化处理的脂肪球上升的速度非常缓慢，甚至完全不会上升。打碎脂肪球彻底改变了这场战争的走向，黏性获得了压倒性的胜利。奶油不再上浮到牛奶瓶顶层，蓝山雀只能去别的地方寻觅早餐了。
所以，相同的力在不同层级上产生的效果大相径庭。气体和液体都有黏性，虽然气体分子之间的结合远没有液体分子那么紧密，但它们仍在不断碰撞，这场盛大的碰碰车游戏会产生相似的效果。因此，小虫和铁球坠落的速度绝不会完全相同，除非你抽掉所有空气，将它们坠落的环境变成真空。空气黏性会大大拖慢小虫的速度，却不会对铁球造成太大影响。如果你抽掉了空气，那么重力就成了唯一的影响因素，对小虫和铁球来说都一样。小虫在空中飞行时运用的技巧和我们在水里游泳时的一模一样。空气的黏性主宰着小虫周围的环境，一如水的黏性统治着游泳池。那些体形微小的昆虫其实更像是在空气中游泳，而不是飞翔。
牛奶均质乳化背后的原理还能运用到其他很多地方。下次打喷嚏的时候，不妨想一想你喷出的液滴尺寸有多大。如果尺寸太小，那么这些携带病菌的液滴可能会一直飘浮在空气中，很难坠落下去。
飞沫和肺结核
数千年来，结核病一直是困扰人类的顽疾。最早的肺结核病人是一具死于公元前2400年的古埃及木乃伊。公元前240年，医学之父希波克拉底（Hippocrates）就已描述了与肺结核相关的病症，中世纪欧洲王室还曾积极寻找治愈淋巴结核的良方。
工业革命以后，城市人口增多，肺结核开始在城市的贫民区中盛行。19世纪40年代，肺结核的死亡人数占了英格兰和威尔士总死亡人数的1/4。直到1882年，人们才找到了引发肺结核的罪魁祸首。它是一种微小的细菌，名叫“结核分枝杆菌”。
查尔斯·狄更斯（CharlesDickens）曾描写过肺结核流行时人人咳嗽的场景，但他无法描述这种疾病最重要的特征，因为这一点他根本看不见。肺结核是通过空气传播的，患者每一次咳嗽都会从肺里喷出数千颗细小的液滴，部分液滴中包含着微小的结核杆菌，这些细菌的长度只有1毫米的3/1000。刚刚离开人体的液滴较大，直径可能有零点几厘米。这些液滴在重力的拉扯下向下坠落，落到地板上以后，它们就哪儿都去不了了。但是，液滴坠落的过程非常缓慢，因为除了液体以外，空气也拥有黏性——物体在空气中移动时必须奋力向前推挤。向下坠落的过程中，液滴不断遭到空气分子的碰撞和推挤，这又延缓了它的速度。正如牛奶的黏性拖慢了奶油的上升速度，这些液滴向下坠落的旅程同样也会受到空气黏性的阻挠。
但它们不一定下坠。液滴的主要成分是水，刚被喷出来几秒钟，这些水会蒸发。原本还算饱满的液滴萎缩变小，它受到的重力也会随之减小，很难与空气黏性抗衡。如果说原来的液滴是一颗携带着结核杆菌的水珠，那么现在它就变成了结核杆菌与有机杂质的混合物。对于新形成的微粒来说，它受到的重力已经不足以抵消空气阻力，所以它只能随风飘动。就像均质乳化的牛奶中那些细小的脂肪球一样，结核杆菌随波逐流。如果它正好降落在某个免疫系统功能较弱的人身上，那么就可能繁殖出一个新群体并逐渐发育壮大，直到新的细菌做好再次出发的准备。
只要有对症的药物，肺结核是可以治愈的。所以时至今日，西方世界里几乎已经没有肺结核病人了。不过就在我写作本书的年代，对人类来说，结核杆菌仍是仅次于艾滋病的第二号杀手，也是一些发展中国家面临的严峻挑战。2013年有900万人感染结核杆菌，其中150万人因此丧命。这种细菌会针对抗生素进行变异，产生极强的抗药性，无法对抗它的抗生素越来越多。医院和学校时不时会暴发疫情。近年来，病人喷出的微小液滴渐渐变成了人们关注的焦点。与其等到人们得了肺结核以后再去治疗，何不想办法从源头切断这种疾病的传播路径？
卡斯·诺克斯（CathNoakes）教授就职于利兹大学（UniversityofLeeds）土木工程系，她对这方面的课题很感兴趣。深入研究飘浮微粒的性质，由此找出相对简单的解决方案，这是卡斯关注的重点。现在，她和其他工程师正在研究携带病菌的微粒如何运动，结果他们发现，这些微粒的运动轨迹与它们的成分或者存在的时间几乎完全无关。微粒的运动完全取决于各种力的综合作用，而这场战争的关键在于粒子本身的尺寸。人们发现，那些最大的液滴运动的距离远远超过我们的想象，因为空气中的湍流会帮助它们悬浮在空中。最小的液滴能在空气中停留好几天，不过紫外线和蓝光会破坏它们的活性。知道了粒子的大小尺度，你就能推测出它们可能的去向。所以，如果你正在为医院设计通风系统，那么你就能根据这方面的原理去驱赶或保留特定大小的微粒，从而控制疾病的传播。卡斯告诉我，每种通过空气传播的疾病都有自己独特的进攻方式，具体取决于致病所需的病原体数量（比如，极少量的麻疹病毒就能让人发病）以及疾病侵袭的身体部位（比如，结核杆菌在肺里和在气管里产生的效果是不一样的）。这方面的研究才刚刚起步，不过发展速度很快。
数千年来，在与结核杆菌的战斗中人类一直处于下风，不过现在，我们可以直观地看到病菌的传播，这为控制疾病提供了绝佳的机会。我们的祖先只知道病人的房间里弥漫着酸臭的气味，仿佛有神秘的瘴气充斥其中。现在，我们知道病人会让空气变化，知道携带病菌的微粒会不断运动、分流，也明白这最终会造成什么结果。这些研究的成果将纳入未来医院的设计之中，通过宏观工程影响微观粒子的举措将拯救成千上万条生命。
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