以下文章来源于十点科学 ， 作者龙浩 。
平平无奇的泡泡 ， 有你想不到的神通 。
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带给人快乐的泡泡 。 | Pixabay.com
泡泡可以带给人强烈的快乐 ， 比如吹出五彩斑斓的肥皂泡和不停捏爆泡泡膜 。 刘慈欣的科幻小说《圆圆的肥皂泡》中 ， 小女孩圆圆也特别喜欢吹泡泡 ， 还梦想着吹出特别特别大的泡泡 。 然而 ， 她却不止一次被父亲诘问：“你吹泡泡有什么用？”
泡泡有什么用？在科学家和工程师眼中 ， 泡泡绝对是平平无奇小天才：它带来了著名建筑“水立方”的设计灵感 ， 它发出的湿罗音为医生诊断病情提供了依据 ， 科学家利用泡泡膜建立的数学模型 ， 还可以预测太阳耀斑发生的位置……
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国家游泳中心（水立方）| Pixabay.com
泡泡的惊人影响力和巨大应用价值正逐渐被发现和发掘 。 但是 ， 泡泡形成与破裂过程中的许多科学问题仍然困扰着人们 ， 一些公认的观点不断被否定和推翻 。
泡泡中到底蕴藏了什么特别的科学原理？最近又有哪些关于泡泡的结论被颠覆？泡泡科学能为人类社会发展提供什么呢？
泡泡的成因：液体表面张力
19世纪末 ， 德国一位名叫艾格尼斯·普克尔（Agnes Pockels）的家庭主妇在厨房里首次测定了液体的表面张力（当时德国不允许女性上大学） 。 在英国剑桥大学瑞利教授（正是提出“瑞利散射”的瑞利）的帮助下 ， 她的研究成果被推荐发表在学术期刊《Nature》上 ， 在当时的科学界引起了广泛的关注 。
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艾格尼斯·普克尔（Agnes Pockels） | Wikipedia.org
她所研究的表面张力 ， 如同一张可以自我修复回弹的皮肤 ， 是形成泡泡和维持泡泡形状的原因 。 但是表面张力并不是越大越好 。 就像纯净水 ， 过大的表面张力会将泡泡撕裂；但如果将肥皂溶入其中变成肥皂水 ， 表面张力就会减小 ， 吹出的泡泡会变得又大又圆 。
重力还是表面张力？泡泡破裂机制存疑
除了泡泡的形成 ， 泡泡的破裂也引人关注 。 生成或消除泡泡对工业界有重要影响 。 比如在制造玻璃和有机发光二极管（OLED）显示屏时 ， 消除原料中的气泡可以显著提升产品质量 。
人们一度以为对泡泡的破裂机理了如指掌：当一个气泡从液体底部逐渐浮升至液体表面 ， 对于水这类低粘度液体形成的泡泡 ， 表面张力会很快将它撕裂；而对于高粘度的液体 ， 人们则认为重力的影响在这类泡泡破裂过程中占主导 ， 而非表面张力 。
高速摄像机拍摄的慢镜头仿佛也证实了这个观点：粘性泡泡破裂时顶部下沉 ， 像是重力让它坍塌成泡泡饼；然后表面出现褶皱 ， 看起来也像是重力而不是表面张力的作用 ， 因为表面张力总是试图找寻表面积最小的情况 。
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粘性泡泡破裂过程（动图） | Boston University
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“泡泡饼”表面出现的褶皱 。 | Oliver McRae, Insidescience.org
但是 ， 这个结论隐约有些不对劲：为什么高粘度液体的情况和低粘度液体如此不同 ， 仿佛重力只在粘性泡泡的坍塌中起作用？
美国波士顿大学的几位科学家也思考过这个问题 ， 并且通过最近完成的一系列实验 ， 否定了重力在粘性泡泡破裂过程中起主要作用的观点 。
倒置泡泡：巧妙论证重力的影响
实验是怎么做的呢？既然之前的判断认为 ， 重力是粘性泡泡破裂过程的主导因素 ， 那么是否可以把重力换一个方向 ， 然后观察泡泡的破裂过程是否发生变化？
当然不行 。 因为地球上重力的方向没法改变 ， 那只能改变泡泡的方向了 。 他们让泡泡横过来 ， 或、倒过来 ， 站在泡泡的角度看 ， 就像重力的方向改变了一样 。 为了防止泡泡方向改变时液体流出 ， 研究人员采用粘度为纯净水100万倍的硅油进行实验 。 ——相比之下 ， 蜂蜜的粘度只有纯净水的3000倍 。
如果按照先前观点 ， 对于倒置的泡泡 ， 当它破裂时 ， 重力应该把泡泡拉扯的更像鸡蛋而不是坍塌成饼 。 但是实验结果显示：无论泡泡是正放、横放还是倒置 ， 泡泡破裂时总是首先坍塌成饼 ， 这说明重力在粘性泡泡破裂过程中并没有起到关键作用 。
当研究人员计算薄膜上的作用力时 ， 也得出了表面张力远大于重力的结论 。 理论和实验结果都充分证明 ， 表面张力才是粘性泡泡破裂过程的主导因素 。
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倒置的泡泡破裂时 ， 一样先坍塌成饼 。 | Boston University
但破裂泡泡表面出现的褶皱是怎么回事？如果表面张力起主要作用 ， 泡泡表面似乎应该更平坦才对 。 对此 ， 研究人员表示：泡泡顶部的薄膜比较薄 ， 这里的表面张力可以阻止褶皱形成；但在更厚的泡泡底部 ， 泡泡坍塌造成的收缩足以克服表面张力而形成涟漪 。
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泡泡破裂时的褶皱 ， 是表面收缩产生的涟漪 。 | BostonUniversity
至此 ， 泡泡破裂过程中的表面张力和重力影响效果已经分外明了：无论对低粘度还是高粘度液体 ， 表面张力才是泡泡破裂的主导因素 。
泡泡破裂：隐秘而重要的过程
可是 ， 知道这些又有什么用呢？因为 ， 泡泡充斥着生活、生产的各个角落 ， 泡泡科学正在展现越来越大的潜在应用价值 。 人们对泡泡的认知越深刻 ， 得到的惊喜就越多 。
比如 ， 利用泡泡可以提高船速 。 人们早就发现 ， 帝企鹅在羽翼间储存了大量空气 。 当它向上游时 ， 就会释放空气 ， 形成大量气泡 ， 使周边水的密度下降 ， 从而让动作更轻盈 。 受此启发 ， 人们在船的附近制造适量的泡泡 ， 成功减小了行进阻力 ， 提高了船速 。
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泡泡让帝企鹅的动作更轻盈（动图） | Nationalgeographic.com
但是 ， 在应用泡泡提速时应特别注意：大量气泡与船体撞击时破裂 ， 会对船体材质造成损伤 。
不过 ， 正是利用了泡泡破裂的“破坏力” ， 通过超声波在水中产生大量微小泡泡 ， 人们制造出了摩擦力极强的清洁机器 。 它被用于各种细小物品（如珠宝首饰）的清洁 ， 还被用在眼镜店里帮助大家清洗眼镜 。
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超声波清洗机通过泡泡变成清洁神器（动图）| Medgadget.com
泡泡的破裂 ， 还给医学带来了启示 。
科学家们观察到 ， 座头鲸在海里游动时会吐出大量泡泡 ， 它们是在排解作为生物体型巅峰的孤独吗？应该不是 。 大量泡泡的破裂会产生巨大的环绕立体声 ， 困住受惊的鱼群 ， 让它们捕猎更加轻松 。 这是座头鲸巧用泡泡觅食的重要技能 。
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座头鲸巧用泡泡制造声音 ， 让捕猎更轻松 。 | Reproduced from Sciencenews.org
由此 ， 衍生出了所谓泡泡声学的分支 。 你一定听过饮水机放水时的泡泡声 ， 泡泡的大小不同 ， 音调也不一致 。 医生们可以根据气流通过有稀薄分泌物的支气管时气泡破裂的声音（湿罗音） ， 分析病人的肺部状况 。
医学家们还根据泡泡能裹挟微粒的特性 ， 开发出了用于给药的泡泡疗法 。
他们将特定的药物分子和金属颗粒附着于泡泡表面 ， 将它们注入血管中 。 这些泡泡被控制在极其微小的尺度上（0.5~10μm ， 接近红细胞大小） ， 以保证在进入血液后不会引起血管气泡栓塞 。
然后 ， 利用磁铁引导泡泡们到达病灶区域 ， 再采用特定频率的超声波击碎泡泡以释放药物 。 这样 ， 药物将定点作用于体内特定区域 ， 而不影响身体其他部位 。
泡泡疗法大幅减小了癌症化疗的副作用 ， 已经在肝癌、胰腺癌、前列腺癌等癌症化疗过程中展示了良好效果 。 ——不过作为一项新技术 ， 它的安全性和有效性还有待进一步验证 。
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泡泡疗法用于传送癌症药物 。 | Reproduced from Physicstoday.com
更令人脑洞大开的是 ， 泡泡的相关输运能力 ， 还可以用来调节气候 。
在血管里 ， 泡泡破裂释放药物 ， 在海洋中 ， 泡泡破裂则会向大气中释放盐类物质和有机物 。 同时 ， 泡泡还会裹挟二氧化碳和氧气等进入海洋 。 泡泡连通了大气和海洋 ， 在物质循环中发挥着隐秘而重要的作用 ， 它们帮助海洋呼吸 ， 也对气候产生重要影响 。
在《圆圆的肥皂泡》中 ， 圆圆最终实现了她的梦想 ， 她成功制造出了巨型肥皂泡 ， 并让泡泡带着湿润的水汽跨越大半个中国 ， 在大西北上空破裂 ， 给西部带来充沛的降水 ， 实现了空中“南水北调” 。 这虽然是天马行空的想象 ， 但和2018年我国正式启动的“天河工程”有异曲同工之妙 。
“天河工程”试图通过对大气中水汽含量及“迁徙”路线进行监测 ， 以掌握水汽“迁徙”规律 ， 并在有条件的地区进行人工干预 ， 达到空中调水的目的 。 这一设想直到现在还被很多人批“荒诞幻想” 。 但科学的发展谁知道呢？
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天河工程：通过干预水汽迁徙 ， 实现空中调水 。 |来自网络
以上 ， 都是泡泡破裂的妙处 。 但是 ， 泡泡破裂也可能释放不好的东西 。
例如 ， 病毒 。 远的不说 ， 在新冠肺炎患者支气管分泌物中 ， 由呼吸活动导致的气泡破裂 ， 将产生携带病毒的气溶胶 ， 它是新冠肺炎传播的重要载体之一 。 而粘性泡泡破裂时产生的如涟漪般的褶皱 ， 也增加了气溶胶中病毒的浓度 。 它们让疫情防控和诊治都变得困难 。 这是自然给我们展现的另一面 。
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气溶胶中裹挟着冠状病毒 ， 增加了防控和诊治风险 。 | Angelo Talia, Shutterstock.com
无处不在的泡泡 ， 无限的惊奇
开尔文曾说：“如果吹一个肥皂泡并进行观察 ， 你可能会穷尽一生去研究它 ， 然后从中获得一个又一个物理定律 。 ”泡泡已经进入越来越多的应用领域 。 当然 ， 它也一直在我们身边：
大家不妨准备一个笛型和一个碟形玻璃杯 ， 然后倒上香槟酒 。 稍等片刻 ， 你会惊奇地发现 ， 同样的酒在两个酒杯中的香气和口感竟真的不同 。 这不是玄学 ， 它的秘密 ， 就藏在不断产生且不断破裂的平平无奇的小泡泡里 。
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笛型杯与碟型杯中的泡泡 ， 让口感不同 。 | 来自网络
责编 | 高佩雯
封图 | www.freecreatives.com
参考文献：
1.Alexandros T. Oratis1, John W. M. Bush, Howard A.Stone, et al., A new wrinkle on liquid sheets: Turning the mechanism of viscousbubble collapse upside down. Science, 369(6504): 685-688, Aug 2020.
2.https://www.insidescience.org/news/new-theory-says-we%E2%80%99ve-been-wrong-about-how-bubbles-pop
3.Paul Sen, Pop! The Science of Bubbles, BBC, 2013.
4.Rayleigh, Surface Tension. Nature 43: 437–439, 1891.
来源：十点科学
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【科学|“啪！没了” 小朋友哭了，泡泡科学家却玩出了花】编辑：蕉
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