葡萄干+汽水=Nature論文？創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)或許就藏在你家廚房！

“生活中不缺少美，而是缺少發(fā)現(xiàn)美的眼睛?！蓖瑯?，生活中不缺少科學(xué)，而是缺少在簡(jiǎn)單現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)科學(xué)的眼睛。

你是否看見(jiàn)過(guò)碳酸飲料里的泡泡？你是否曾無(wú)意間丟過(guò)什么東西到碳酸飲料里，且發(fā)現(xiàn)泡泡會(huì)附著在這些物體上？但遺憾的是，我們并沒(méi)有多想。

被氣泡包裹著的葡萄干 圖片來(lái)源：Saverio E. Spagnolie

美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Saverio E. Spagnolie教授就不一樣，當(dāng)他宅家陪女兒玩耍時(shí)，在自家廚房里做了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)。他們將葡萄干投入碳酸飲料中，發(fā)現(xiàn)葡萄干全身會(huì)快速裹滿(mǎn)氣泡。在此后長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘，甚至一個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，葡萄干神奇地在飲料中旋轉(zhuǎn)、跳躍，翩躚起舞。女兒和爸爸一起盯著起起伏伏的葡萄干看了許久后逐漸失去了興趣，Spagnolie卻被勾起了探索欲望。

葡萄干在蘇打水中翩翩起舞背后隱藏著怎樣的科學(xué)秘密？為了揭開(kāi)這一現(xiàn)象的神秘面紗，Spagnolie“薅”來(lái)幾位學(xué)生和自己一起做了一系列實(shí)驗(yàn)，并在計(jì)算機(jī)中完成了數(shù)值模擬，構(gòu)建了理論模型，以描述葡萄干的運(yùn)動(dòng)行為。最終，他們撰寫(xiě)了一篇研究論文，于5月9日在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。他們關(guān)于葡萄干“跳舞”的視頻短短兩天獲得了超過(guò)50萬(wàn)的瀏覽量。

翻滾的葡萄干旋轉(zhuǎn)跳躍的舞者

做這項(xiàng)研究有什么意義嗎？

對(duì)很多人來(lái)說(shuō)，葡萄干在碳酸飲料中跳舞的現(xiàn)象雖然有趣，但是他們并不能理解探究背后的意義，亦如當(dāng)初牛頓去研究蘋(píng)果為什么會(huì)掉在地上面臨的一系列質(zhì)疑一樣。

作為一名數(shù)學(xué)研究學(xué)者， Spagnolie教授一直以來(lái)都對(duì)粘性流體中的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過(guò)程、微生物運(yùn)動(dòng)、生物力學(xué)等方向很感興趣，也非常樂(lè)于開(kāi)發(fā)新穎的數(shù)值方法來(lái)鉆研這些問(wèn)題。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將所有這些實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論工作整合起來(lái)，解碼了一個(gè)又一個(gè)科學(xué)問(wèn)題。

葡萄干為什么會(huì)跳舞？通俗易懂地講，當(dāng)葡萄干進(jìn)入碳酸飲料的那一刻，汽水里的氣泡開(kāi)始爭(zhēng)先恐后地附著在葡萄干的表面，像一群頑皮的小精靈，給葡萄干穿上了一件充滿(mǎn)氣的救生衣。

隨著氣泡越聚越多，葡萄干的浮力也越來(lái)越大，直到它被這股力量輕輕托起，緩緩向水面升去。然而當(dāng)葡萄干一碰到水面，那些氣泡就會(huì)立刻破裂。由于氣泡破裂造成的不對(duì)稱(chēng)浮力，葡萄干開(kāi)始在水中轉(zhuǎn)起圈來(lái)，就像是在跳一支優(yōu)雅的華爾茲。隨著氣泡一個(gè)個(gè)破裂，葡萄干的舞步也逐漸變得沉重，直到最后，浮力不足以支撐它繼續(xù)舞蹈，它便又沉回水底，等待下一輪的升騰。這個(gè)過(guò)程，就像是一個(gè)周期性的舞蹈，不斷地重復(fù)上演。

你可能不知道，汽水里的氣泡其實(shí)是在和水的表面張力進(jìn)行一場(chǎng)拉鋸戰(zhàn)。表面張力想要把水的表面拉平，減少表面積，而氣泡卻總是想要擴(kuò)大領(lǐng)地。但在葡萄干那些粗糙的小山丘上，氣泡找到了庇護(hù)所，它們?cè)谶@里暫時(shí)安全，不受表面張力的驅(qū)逐。從某種程度上講，葡萄干其實(shí)是非常好的舞者。

如果是剛開(kāi)罐、氣泡豐富的汽水，葡萄干會(huì)跳上一段充滿(mǎn)活力的“探戈”，大約20分鐘后，它的舞步會(huì)漸漸放慢，轉(zhuǎn)變?yōu)楦觾?yōu)雅的“華爾茲”，整個(gè)過(guò)程可能會(huì)持續(xù)一個(gè)小時(shí)。

為解開(kāi)碳酸飲料中物體浮動(dòng)的奧秘，Spagnolie教授和他的團(tuán)隊(duì)做了很多努力，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和電腦模擬，建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)物體在液體中的浮動(dòng)和運(yùn)動(dòng)。為了更細(xì)致地觀察，他們用3D打印了一個(gè)半徑為1厘米的聚乳酸（PLA）球，并將它與數(shù)字秤相連，用它來(lái)模擬和理解物體在液體中的行為。通過(guò)數(shù)學(xué)模型，他們發(fā)現(xiàn)了影響物體浮動(dòng)的關(guān)鍵因素，比如物體的表面積與體積的比例，這比流體阻力更為重要。

測(cè)量3D打印“葡萄干”受力情況的過(guò)程 圖片來(lái)源：Saverio E. Spagnolie

從廚房到火山噴發(fā)每一個(gè)小發(fā)現(xiàn)都應(yīng)該被尊重

科學(xué)并非遙不可及，它就在我們的廚房里，在我們的日常生活中。每一顆跳舞的葡萄干，都是科學(xué)探索的火花，每一個(gè)小發(fā)現(xiàn)都理應(yīng)被尊重?？瓷先ナ欠浅：?jiǎn)單、易于理解的現(xiàn)象，背后折射的科學(xué)原理或許就是人類(lèi)進(jìn)一步理解自然、與自然和諧相處的基石。

例如，Spagnolie教授在葡萄干的舞蹈中探尋的科學(xué)原理，同樣適用于解釋自然界中的巖漿噴發(fā)等現(xiàn)象。

當(dāng)火山內(nèi)部的巖漿逐漸上升，接近地表時(shí)，它所承受的壓力開(kāi)始迅速減小。就像你打開(kāi)可樂(lè)瓶蓋一樣，壓力的釋放使得巖漿中的溶解氣體——主要是水蒸氣和二氧化碳——迅速膨脹，沖向火山口。這些氣體在巖漿中形成巨大的氣泡，隨著氣泡的不斷增大，最終導(dǎo)致火山的猛烈噴發(fā)。

雖然火山噴發(fā)的規(guī)模和力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們手中的可樂(lè)噴發(fā)，但兩者背后的物理過(guò)程卻有著異曲同工之妙。在火山噴發(fā)中，巖漿中的固體顆粒物，雖然不會(huì)像蘇打水中的葡萄干那樣隨氣泡起舞，但它們的存在和運(yùn)動(dòng)同樣對(duì)噴發(fā)的過(guò)程和特性產(chǎn)生著重要影響。這些顆粒物在巖漿中分布不均，它們的密度、大小和形狀各異，當(dāng)巖漿上升和壓力變化時(shí)，這些顆粒物的運(yùn)動(dòng)和相互作用可能會(huì)影響氣泡的形成和釋放，進(jìn)而影響火山噴發(fā)的強(qiáng)度和模式。例如，較大的顆粒物可能會(huì)阻礙氣泡的上升，導(dǎo)致壓力在巖漿內(nèi)部積聚，從而引發(fā)更為劇烈的噴發(fā)。

從可樂(lè)的氣泡到火山的噴發(fā)，自然界的每一次“噴發(fā)”都是對(duì)地球力量的一次展示。通過(guò)觀察和研究這些普通的自然現(xiàn)象，我們或許能迎來(lái)不同尋常的收獲?，F(xiàn)在，不妨將目光轉(zhuǎn)向自己的廚房——這個(gè)充滿(mǎn)可能性的實(shí)驗(yàn)室。想一想，還有哪些簡(jiǎn)單、安全、易行、成本低廉的實(shí)驗(yàn)，正等待著我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)？或許，下一個(gè)能夠登上著名學(xué)術(shù)期刊的創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，就藏在你家的油鹽醬醋之中。