夏　娟

我们知道，在某些情况下，水滴的融合不是在瞬间完成的。瀑布脚下，水滴可以持续漂浮数秒；一滴咖啡可以轻轻地漂浮在一杯热咖啡上面：在太空中，宇航员同样也观察到了两颗相撞的水滴在失重的情况下像两个台球一样弹来跳去而不会融合。

水滴在液体表面通过连续跳跃而前进，每次弹起后仿佛都面临着被吞噬的危险，是什么奇迹使这些针头般大小的水滴在水面上移动而不与水体融合呢?难道它们之间密度的差异拯救了这些顽皮精灵，就像油珠在一锅水上漂浮那样?可是，构成这些跳跃水滴的物质与下面这些水体的物质完全相同。实在太不可思议了!

那么它们不下沉的原因究竟为何?答案是研究小组通过油浴实验找到的。硅油因其品质尤其是纯度较高而非常适合这种实验。但是，研究人员在试验中观察到，当水滴体积很小时，它与水体之间也产生了同样的现象。

成真的假说

一切开始于一次物理实验课。原本老师安排学生设计一个简单实验来限制液体之间的融合现象，即限制一个液滴和与之成分相同液体之间相融合的现象。最初提出只是一个空头的假说，不过这一假说随着研究的深入，在实验室里具有了真正的现实意义。

液滴可以在液体表面上移动而不被融合，在所有情况下，都是因为有一层空气持续聚集在液滴的周围，阻止两者的融合。瀑布脚下，水滴在水面上可以持续漂浮数秒。对瀑布来说，是翻腾的水带动周围的空气，并且反复形成空气层。而对于一滴冷咖啡可以轻轻地漂浮在一杯热咖啡上面，是因为那一滴冷咖啡和一杯咖啡之间温差而产生的。

经验表明，把一滴水滴入盛水容器时，你会看到水面被击中后，水滴会在一刹那间持续存在。我们知道在下落的水滴和水面之间存在一个空气夹层。即便在正常情况下，水滴也不会马上与水面融合。水滴和水面之间的空气层阻止了它们的融合。在水滴持续存在的这段时间内，隔开它们百分之几毫米的薄薄空气层会逃逸。接着，水滴和水面接触并迅速融合。换句话说，只要维持空气层的存在就可以阻止它们之间的融合。那么怎样做到呢?我们可以从液体振动实验中找答案。如果我们使液体以某一频率振荡，当它下降时的加速度大于重力加速度，液滴就会离开液面，中间重新生成空气层。在液体下降的过程中，液滴的角色和飞机做抛物线飞行中进行失重训练的宇航员一样。由于支持液滴的液体跌落得比液滴本身要快，于是液滴悬浮在空中。

液面上升时，空气没有时间逸散，于是液滴乘坐在气垫上，这个气垫阻止了它被液体致命地“吻”到。这就像某种意义上的微型滑艇。但是这一液体支撑现象却不能解释为什么水滴会以连续跳跃的惊人方式前进。因为如果跳跃仅由最初的轻弹引起，力量会逐渐减弱。

看不见的“球拍”

然而，水滴却不停地运动，而且仅朝着实验器具内壁接触的方向。这种运动的奇特动力是什么呢7似乎没有什么振动的机械原理或者水滴内部的其他什么力能解释这种跳跃现象。事实上，一切的发生就像是有着一个看不见的“球拍”，在每次回弹时拍打这些水滴，而且总是朝一个方向。

荒唐的理论?不，事实的确如此。每次水滴击打液面，引起波纹，像石头扔进水中形成的波纹一样。开始时，水波的中心是波浪下凹处，它马上会因惯性而重新上升。如果水滴恰好降落在中心旁边《一个微小的不平衡就会造成这种状况》，它就会被送到偏离的方向去。总而言之，似乎在拍打水滴的神秘“球拍”不过是水滴自身引起的小波浪。当水滴落在水波中心的旁边时，它与波浪的斜面碰撞，然后重新从旁边起跳，在这个起跳点又激起新的波纹，并再生出其他的波纹，重新起跳，再接着跳下去。

水滴的行进，只是在波浪上的一系列同步弹跳吗?这个解释也不能完全令人满意，因为我们忘记了振幅减小的问题。如同石块投入水中，激起的波纹最后扩散，逐渐减弱一样，水滴激起的波纹也迅速消失。所以动力失去后，水滴照理也应该停止运动。但情况并非如此，换个说法，总是由接下来的第二个现象来接替，使这个运动持续下去。

这种波叫法拉第波，是19世纪英国大物理学家法拉第发现的。只要让液体发生快速振动，波纹就在液体表面出现，假如你盛一碗水或者油放置在发动的汽车引擎盖上，我们即可观察这个现象。

这一现象的产生有双重成因一是地心引力，二是表面张力。这些位于液体表面分子间的引力，清楚地解释了为什么在一只玻璃杯里，贴近杯壁的水面呈略向上弯曲状。法拉第波助了水滴一臂之力。根据经验，研究人员选择使液体的振荡强度略低于它产生波纹的极限。水滴的搅扰足以产生强劲的波纹，而它便可以在水面上欢呼雀跃。因此，只要我们维持振动，水滴的运动就会持续下去。

研究仍在继续

那么还有一个问题，就是这个过程应该会引发混乱。因为，没有任何理由使水滴老老实实地朝同一方向，以同一速度跳跃。逻辑上讲，它们应该朝任意方向前进。就像醉汉一样。事实上，完全不是这样。当法拉第波出现时，水滴的跳动为保持一致而和它们同步。也就是说水滴总是在它们造成的波纹处起跳。从那时起，看不见的“球拍”有条不紊地朝一个方向，每次都以相同的力拍打起跳的水滴。结果，这些水滴以恒定不变的速度沉着前进。一个如此奇妙的机械过程，但要从理论上获得解释却显得有些棘手。事实上，这是一个很稳定的机械过程，一切都自动地同步起来。

观察单独行走的一滴液体，显然引发了研究者们极大兴趣，他们想在油浴上面放置数颗液滴，就像玩台球似的，液滴会一个接一个地弹跳还是会融合呢?事实上，如果说有一些液滴由于相互碰撞而分散得很开，那么也有其他的液滴会相融合，一起转圈!这个从未见过的现象，其解释却十分简单。一旦某颗液滴接近另一颗，它会碰撞伴随它的小波浪。如果液滴下落在波浪的外侧，它就会被这一碰撞再次推动。但是如果在内侧，它就会被波浪吸引。两颗液滴理论上会融合，然而由于它们自身的速度，他们就像想要咬自己尾巴的狗似的，被迫一个围着另一个打转，不停地互相追逐，如同我们所看到的同步轨道运动，即双星运动一样。

根据“行走”的水滴现象科学家认为消除水滴和液体融合是可能的。他们的经验会影响到物理学的其他领域吗?行走的水滴，是否会给其他还在昏暗中摸索的学科带来光明?我们知道，在固体物理学中有一个著名现象，即激发晶体振荡的电子运动现象，其中有类似的问题需要深入研究。

诞生液悬技术

比利时列日大学的工作人员利用油浴振动来研究水滴的连续跳跃。当油以110赫兹的频率振动时，会释放直径达1毫米的高黏度油的液滴。这些液滴迅速弹跳起来，并在油浴表面四处漂浮滚动。说是漂浮，因为液滴根本不会沾到油浴表面。两者之间的距离约为150毫微米～1.5厘米。之所以会出现这种现象，一开始液滴跳离后又返回液面，是因为液滴在不停地将底下的空气推开，如此，它就能顺利地滚落到液面，并与液面融合。但是，当油浴振动达到一定的频率时，液体表面会出现一层气体共振层，这种气体共振层很难被推开。此时，液滴就像坐了气垫船，能弹跳起来并来回滚动。

研究小组成员史蒂芬说：“我们第一次在这种系统中观察到自发的滚转运动”。产生悬浮现象的最佳状态就是油浴的黏度高于液滴。如此一未，当研究员将气垫置于油面上方时，油面就不会出现由液滴弹跳引起的波纹。

此外，该研究小组试验将水滴置于油面之上，此举达到了类似结果。研究小组成员基莱说：“这是一种传送液滴的好办法”。他指出，其他的液体，例如汗水。眼泪或可溶于水的化学试剂，也能达到同样的效果。甚至，我们可以将弹跳液滴与包含实验室试剂的液滴相碰撞。举例来说，可以把其他液滴加到包含酸或染料实验用的液体中去。它们会一起进行弹跳运动直至凝聚在一起。在这种新的大弹跳液滴中，我们可以观察到发生的化学反应。平时，我们在处理微小样本时，通常会使用刻有小凹槽的微流薄片。但是，薄片的清理工作就不那么容易了。同时，在实验正式开始前，我们也很难保证样本不会混合在一起。而这种弹跳液滴就提供了一种迂回解决该难题的方法。

将来，在处理大量微细液体时，这种技术就会发挥其作用。举例来说，在生命科学实验中，必须解决的一个问题就是避免出现液体沾污的问题。相应地，这种技术就能解决液体污染的问题。然而，目前这种弹跳悬浮技术还不是很理想。未来研究可能包括漂浮的多层液滴，水将油层包围在中间。将来，这种液滴悬浮技术能更好地运用到科学技术中。