水滴漂浮在水面上可能是你听过的最奇怪的事情之一,但这并不像它听起来那么奇怪,事实上,这种现象一直在发生!从落在水坑上的雨滴到你在读这篇文章时可能正在喝的咖啡。看起来水本身是疏水性的!但这怎么可能呢?如果你做过这方面的实验,你一定注意到,当溶液中含有肥皂或洗涤剂时,更容易产生这种现象。肯定有什么内部机制被忽视了。当一滴液体落在同一液体的表面时,可以想象,它会立刻溶入液体中。但在某些条件下,这些水滴会在水面上漂浮了一段时间后才溶入到大的液体中。由于这种现象出乎意料地普遍,著名的物理学家,包括雷诺兹(Reynolds)、马哈詹(Mahajan)、哈兹勒赫斯特和内维尔(Hazlehurst and Neville )都提出了解释这种奇怪现象的假说。但在当时,判定一个特定的假设是不可能的。现在,科学家们已经能够想出一个相当简单的想法来解释它!让我们一起看看。
图一
图二
水滴不会立即溶合,而是在原地弹跳一段时间,称为停留时间(residence time),然后形成水桥(Ω状的,里面是空气)并溶合。科学家们认为,图一所示的被困空气的速度,随着水面的弯曲而减缓,其张力像橡皮筋一样,将水滴回推,水滴速度因此降低,这就是原因所在。当空气在反弹后慢慢渗出并降低水球的速度时,两个表面真的接触了,迅速形成了我们在图二中的水桥。尽管这一理论最初被一些科学家如马哈詹所反对,但在广泛的研究下,它已被证实。美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)发表的一篇研究论文通过降低实验周围的压力来验证这一理论,这导致了更短的停留时间。虽然空气起到缓冲作用的想法听起来很荒谬,但它实际上可以用一个类似的实验来证明。在水面下安装一个扬声器以制造驻波,可以帮助我们更深层次地理解这个问题。当水滴落在水面上的驻波上时,可能会发生两种情况(从广义上讲),它可能落在:
这些水滴被称为 "步行者",因为它看起来像是在水面上走来走去。丹尼尔·M·哈里斯(Daniel M. Harris)和约翰·W·M·布什(John W. M. Bush)进行的一项研究在一个完全相似的装置下研究硅油步行者,发现这可以用来复制许多量子力学现象,尽管这里使用的对象属于经典物理学的范围。量子力学的核心思想之一来自于杨氏双缝实验:如果你将一束电子射向屏幕前的一对狭缝,电子不表现为粒子,而表现为波,导致屏幕上出现干涉图样。当“步行者”放入一个类似的装置中时,先导波——即由于液滴与表面的相互作用而引起的波,会通过两个狭缝,但液滴只通过一个狭缝,但它们与狭缝相互作用的方式使结果分布看起来非常像杨氏双狭缝实验中的情况。