未解之谜 数十年未解的物理学难题有谱...

数十年未解的物理学难题有谱了

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【新三才首发】一位大学生最近解决了一个困扰物理学家半个多世纪的问题:为什么气泡似乎会卡在狭窄的垂直管中?答案可能有助于解释被困在多孔岩石中的天然气的行为。

几年前,物理学家注意到,在充满液体的足够狭窄的试管中,气泡不会移动。但瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)机械工程系助理教授约翰·科林斯基(John Kolinski)说,这是「一种悖论」。

这是因为气泡比它周遭的液体密度小,因此它应该上升到管子的顶部(就像气泡水里的汽泡上升到水面上一样)。此外,在液体中移动时唯一的阻力是被移动的液体,但在这种情况下,液体会保持静止。

为了解决难以对付的泡沫问题,科林斯基和目前正在苏黎世联邦理工学院攻读硕士学位,而当时在科林斯基实验室工作的工程学大学生Wassim Dhaouadi,因此决定使用一种称为「干涉显微镜」的方法进行探测。科林斯基说,这种方法与激光干涉仪重力波天文台(LIGO)侦测器用于查找引力波的方法相同。

但是在这种情况下,研究人员使用了定制的显微镜,显微镜将光照射到样品上并测量反弹回来的光的强度。由于光线的反射会根据其撞击的东西而有所不同,因此测量反弹的光线可以让研究人员弄清楚材料的「厚度」。通过这种方式,他们探测到了陷在细管中的漂浮气泡,细管中装有称为异丙醇的酒精。酒精使他们能够进行「自我清洁实验」,而这是必要的,因为实验结果会被任何形式的污垢破坏,科林斯基说。

从1960年代的一位名为Bretherton的科学家开始,研究人员从理论上探讨了这一现象,但在此之前从未对其直接进行过测量。科林斯基说,一些计算认为,气泡被一层非常薄的液体包围,并接触到管子的侧壁,包围的液体逐渐减少,最终消失。当气泡上升时,该薄层将对气泡的运动产生阻力。

研究人员确实观察到了气泡周围非常薄的一层,并测得其厚度约为1奈米。正如理论工作所预料的那样,这就是终止了气泡运动的原因。但是他们还发现,液体层(是由于气泡中的压力推向管壁而形成)并没有消失,而是始终保持恒定的厚度。

根据他们对流体薄层的测量,他们还能够计算其速度。他们发现,由于薄层产生的阻力,气泡根本没有被卡住,而是以肉眼看不见的速度「异常缓慢」地运动。但是,他们还发现,通过加热液体和气泡,他们能够使薄层消失――这是一个新颖的想法,在未来的研究中可能会有「令人兴奋」的发现。

他们的发现可能有助于地球科学领域的发展。每当你发现蕴含在多孔介质中的气体时,例如在多孔岩石中的天然气,相反的或者你试图捕获岩石中二氧化碳,那么在密闭空间中就会有很多气泡,科林斯基说。「我们的观察与这些气泡如何被限制的物理学有关。」

但是令人兴奋的另一部分是,科林斯基说,这项研究表明「你可以让人们在其职业的各个阶段都做出宝贵的贡献」,Dhaouadi「推动该计画迈向了成功之路」。

这些发现发表在12月2日的《Physical Review Fluids》期刊上,最初则发表在《生命科学》上。

(编译:心宇)

(责任编辑:姜启明)

(文章来源:新三才首发)

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