未解之謎 數十年未解的物理學難題有譜...

數十年未解的物理學難題有譜了

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【新三才首發】一位大學生最近解決了一個困擾物理學家半個多世紀的問題:為什麼氣泡似乎會卡在狹窄的垂直管中?答案可能有助於解釋被困在多孔岩石中的天然氣的行為。

幾年前,物理學家注意到,在充滿液體的足夠狹窄的試管中,氣泡不會移動。但瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)機械工程系助理教授約翰·科林斯基(John Kolinski)說,這是「一種悖論」。

這是因為氣泡比它周遭的液體密度小,因此它應該上升到管子的頂部(就像氣泡水裏的汽泡上升到水面上一樣)。此外,在液體中移動時唯一的阻力是被移動的液體,但在這種情況下,液體會保持靜止。

為了解決難以對付的泡沫問題,科林斯基和目前正在蘇黎世聯邦理工學院攻讀碩士學位,而當時在科林斯基實驗室工作的工程學大學生Wassim Dhaouadi,因此決定使用一種稱為「干涉顯微鏡」的方法進行探測。科林斯基說,這種方法與激光干涉儀重力波天文台(LIGO)偵測器用於查找引力波的方法相同。

但是在這種情況下,研究人員使用了定製的顯微鏡,顯微鏡將光照射到樣品上並測量反彈回來的光的強度。由於光線的反射會根據其撞擊的東西而有所不同,因此測量反彈的光線可以讓研究人員弄清楚材料的「厚度」。通過這種方式,他們探測到了陷在細管中的漂浮氣泡,細管中裝有稱為異丙醇的酒精。酒精使他們能夠進行「自我清潔實驗」,而這是必要的,因為實驗結果會被任何形式的污垢破壞,科林斯基說。

從1960年代的一位名為Bretherton的科學家開始,研究人員從理論上探討了這一現象,但在此之前從未對其直接進行過測量。科林斯基說,一些計算認為,氣泡被一層非常薄的液體包圍,並接觸到管子的側壁,包圍的液體逐漸減少,最終消失。當氣泡上升時,該薄層將對氣泡的運動產生阻力。

研究人員確實觀察到了氣泡周圍非常薄的一層,並測得其厚度約為1奈米。正如理論工作所預料的那樣,這就是終止了氣泡運動的原因。但是他們還發現,液體層(是由於氣泡中的壓力推向管壁而形成)並沒有消失,而是始終保持恆定的厚度。

根據他們對流體薄層的測量,他們還能夠計算其速度。他們發現,由於薄層產生的阻力,氣泡根本沒有被卡住,而是以肉眼看不見的速度「異常緩慢」地運動。但是,他們還發現,通過加熱液體和氣泡,他們能夠使薄層消失――這是一個新穎的想法,在未來的研究中可能會有「令人興奮」的發現。

他們的發現可能有助於地球科學領域的發展。每當你發現蘊含在多孔介質中的氣體時,例如在多孔岩石中的天然氣,相反的或者你試圖捕獲岩石中二氧化碳,那麼在密閉空間中就會有很多氣泡,科林斯基說。「我們的觀察與這些氣泡如何被限制的物理學有關。」

但是令人興奮的另一部分是,科林斯基說,這項研究表明「你可以讓人們在其職業的各個階段都做出寶貴的貢獻」,Dhaouadi「推動該計畫邁向了成功之路」。

這些發現發表在12月2日的《Physical Review Fluids》期刊上,最初則發表在《生命科學》上。

(編譯:心宇)

(責任編輯:姜啟明)

(文章來源:新三才首發)

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