泡沫魔力

【美国《发现》月刊6月号文章】题：泡沫的物理学——泡沫研究的孜孜不倦和知难而进揭示了一些魔术般的结果（作者　詹妮弗·欧埃莱特）
不论哪一天，来到波士顿大学格林·霍尔特实验室的访客都很可能会看到一幅奇特的景象：似乎是利用魔术悬浮在空中的单独一团泡沫。他们所不能看到的是霍尔特用来使泡沫漂浮的声波。泡沫若接触容器的边缘，就会使自己的形状扭曲，性质反常。通过避免这种接触，霍尔特能够获得对泡沫特性的比较精确的衡量结果。
霍尔特是对泡沫及其独特性质着迷的越来越多的研究人员之一。泡沫存在于所有规模之上，从时空结构中的量子引力泡沫到宇宙本身的星系构造都有。它们渗透到我们的日常生活中，出现在人们所喜欢的食品和饮料、美容产品、家用肥皂和艺术作品之中。
科学家们所了解的有关这种泡沫中单个的泡以及它们如何通过简单的摩擦相互“交谈”的情况是很多的。但当许多气泡聚集在一起形成一团泡沫的时候，所产生的物质表现出一系列出人意料的性质和行为。例如，液体泡沫由大约95%的气体和5%的液体构成，但它们往往比其构成成分具有强得多的刚性。这是由于一种称为“塞满”的现象。由于这些泡沫严严地挤压在一起，所以当一团泡沫被压缩，其中的气泡就不能围绕彼此跳跃了。气泡越被紧紧挤压在一起，其中的压力就越大，因而它们就越获得固体的特性。
此外还有形状问题。一团泡沫的性质基本上由其中单个气泡的形状所决定，但这一形状的实质却是最古老的数学谜团之一。摆在研究泡沫的科学家们面前的最大挑战是创造泡沫流变学的预测模型，就是它随着时间推移变形和流动的方式。随着泡沫老化，重力使其液体向下流失殆尽，比较小的泡被比较大的泡所吸纳。这一过程称为“变粗”。但直到最近，我们对这个过程的认识一直受到研究如此昙花一现的物质的固有困难的限制。泡沫是脆弱的，它们通常必须被装在容器里才能研究，而这样做本身就改变了泡沫的行为特征。
霍尔特是美国航天局的宇航有效载荷专家。在他看来，对此的解决办法只不过是一个抗拒重力的问题。利用声波使一团泡沫悬浮，他便能够左右其方位，并挤压泡沫使之摆动。他说：“这并非仅仅是泡沫表面上的吸引力。声音在泡沫内部传播，从而使我们能够使其漂浮起来。这样，我们就能感知在我们操纵它的时候它如何做出反应。”与一台监视器相连接的一部摄像机记录下复杂的震动，然后霍尔特对其加以分析，以便更好地掌握泡沫的机械性质——尤其是它开始像固体一样产生作用的时刻。
道格拉斯·杜里安则采取一项不同的做法。1990年在仍然效力于埃克森石油公司的时候，他把一些剃须膏放在一个很小的玻璃室中，通过一端射入一束激光，衡量了从对面一侧射出的光线的量。随着时间的推移，他发现光线的强度随着气泡合并和迅速变换位置而波动。泡沫改变时，其内部压力增大，直到一团团紧紧挤压在一起的气泡突然从一种构造转变成另外一种，就像一场慢镜头的雪崩。如果杜里安施加足够的压力，这些气泡就会不断地重新组合，像液体一样流动。
正是这种种独特的机械性质——从弹性固体到黏稠的液体——使得泡沫对日常用途来说如此地有用。最近，一种新的反恐怖主义泡沫被用来清除国会办公大楼和华盛顿的邮局里的污染物质。这种泡沫是在桑迪亚国家实验所开发的，它使有毒的化学和生物药剂，譬如炭疽和沙林神经毒气在几分钟内失去作用。这种泡沫是从手持的罐子里喷射的，当空气被吸入泡沫中的时候，它便膨胀到其液态体积的100倍左右。它填满各种缝隙和其它难以触及的隐蔽处，然后破裂，几小时后恢复到原先比较紧密的液态。
这种泡沫使有毒物质失去作用的方式，很像去污剂去除衣服污渍的方法。其表面活性物质和轻度的氧化物质处理化学药剂，搜寻使分子保持连接的磷化或硫化物质纽带，将其切削成碎片。桑迪亚实验所的研究人员并不完全掌握这种泡沫是如何杀死带菌孢子的，但他们认为，表面活性物质在孢子的蛋白质装甲上凿出孔洞，从而使氧化物质得以袭击里面的遗传物质。
尽管泡沫十分实用，但是它们对物理学家来说，真正魅力在于其独特的行为特性。泡沫研究最终可能会有助于解释植物细胞的结构和生物系统出现及进化的方式。这些主题的复杂性不亚于泡沫本身。