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?！蓖瑯樱钪胁蝗鄙倏茖W，而是缺少在簡單現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)科學的眼睛。

你是否看見過碳酸飲料里的泡泡？你是否曾無意間丟過什么東西到碳酸飲料里，且發(fā)現(xiàn)泡泡會附著在這些物體上？但遺憾的是，我們并沒有多想。

被氣泡包裹著的葡萄干 圖片來源：Saverio E. Spagnolie

美國威斯康星大學麥迪遜分校的Saverio E. Spagnolie教授就不一樣，當他宅家陪女兒玩耍時，在自家廚房里做了一個小實驗。他們將葡萄干投入碳酸飲料中，發(fā)現(xiàn)葡萄干全身會快速裹滿氣泡。在此后長達數(shù)分鐘，甚至一個小時的時間里，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秘密？為了揭開這一現(xiàn)象的神秘面紗，Spagnolie“薅”來幾位學生和自己一起做了一系列實驗，并在計算機中完成了數(shù)值模擬，構建了理論模型，以描述葡萄干的運動行為。最終，他們撰寫了一篇研究論文，于5月9日在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。他們關于葡萄干“跳舞”的視頻短短兩天獲得了超過50萬的瀏覽量。

翻滾的葡萄干旋轉(zhuǎn)跳躍的舞者

做這項研究有什么意義嗎？

對很多人來說，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，亦如當初牛頓去研究蘋果為什么會掉在地上面臨的一系列質(zhì)疑一樣。

作為一名數(shù)學研究學者， Spagnolie教授一直以來都對粘性流體中的復雜動力學過程、微生物運動、生物力學等方向很感興趣，也非常樂于開發(fā)新穎的數(shù)值方法來鉆研這些問題。他帶領團隊將所有這些實驗、數(shù)值模擬和理論工作整合起來，解碼了一個又一個科學問題。

葡萄干為什么會跳舞？通俗易懂地講，當葡萄干進入碳酸飲料的那一刻，汽水里的氣泡開始爭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氣的救生衣。

隨著氣泡越聚越多，葡萄干的浮力也越來越大，直到它被這股力量輕輕托起，緩緩向水面升去。然而當葡萄干一碰到水面，那些氣泡就會立刻破裂。由于氣泡破裂造成的不對稱浮力，葡萄干開始在水中轉(zhuǎn)起圈來，就像是在跳一支優(yōu)雅的華爾茲。隨著氣泡一個個破裂，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。這個過程，就像是一個周期性的舞蹈，不斷地重復上演。

你可能不知道，汽水里的氣泡其實是在和水的表面張力進行一場拉鋸戰(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大領地。但在葡萄干那些粗糙的小山丘上，氣泡找到了庇護所，它們在這里暫時安全，不受表面張力的驅(qū)逐。從某種程度上講，葡萄干其實是非常好的舞者。

如果是剛開罐、氣泡豐富的汽水，葡萄干會跳上一段充滿活力的“探戈”，大約20分鐘后，它的舞步會漸漸放慢，轉(zhuǎn)變?yōu)楦觾?yōu)雅的“華爾茲”，整個過程可能會持續(xù)一個小時。

為解開碳酸飲料中物體浮動的奧秘，Spagnolie教授和他的團隊做了很多努力，他們通過實驗和電腦模擬，建立了一個數(shù)學模型來預測物體在液體中的浮動和運動。為了更細致地觀察，他們用3D打印了一個半徑為1厘米的聚乳酸（PLA）球，并將它與數(shù)字秤相連，用它來模擬和理解物體在液體中的行為。通過數(shù)學模型，他們發(fā)現(xiàn)了影響物體浮動的關鍵因素，比如物體的表面積與體積的比例，這比流體阻力更為重要。

測量3D打印“葡萄干”受力情況的過程 圖片來源：Saverio E. Spagnolie

從廚房到火山噴發(fā)每一個小發(fā)現(xiàn)都應該被尊重

科學并非遙不可及，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，都是科學探索的火花，每一個小發(fā)現(xiàn)都理應被尊重。看上去是非常簡單、易于理解的現(xiàn)象，背后折射的科學原理或許就是人類進一步理解自然、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原理，同樣適用于解釋自然界中的巖漿噴發(fā)等現(xiàn)象。

當火山內(nèi)部的巖漿逐漸上升，接近地表時，它所承受的壓力開始迅速減小。就像你打開可樂瓶蓋一樣，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，最終導致火山的猛烈噴發(fā)。

雖然火山噴發(fā)的規(guī)模和力量遠遠超出了我們手中的可樂噴發(fā)，但兩者背后的物理過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，雖然不會像蘇打水中的葡萄干那樣隨氣泡起舞，但它們的存在和運動同樣對噴發(fā)的過程和特性產(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，當巖漿上升和壓力變化時，這些顆粒物的運動和相互作用可能會影響氣泡的形成和釋放，進而影響火山噴發(fā)的強度和模式。例如，較大的顆粒物可能會阻礙氣泡的上升，導致壓力在巖漿內(nèi)部積聚，從而引發(fā)更為劇烈的噴發(fā)。

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