水也可以逆流而上

喬軾

盡管俗話說(shuō)，水往低處流，但是在2008年，有人發(fā)現(xiàn)了逆流的水就在身邊——水可以逆流而上。

倒茶倒出的“逆流污染”

發(fā)現(xiàn)水可以逆流的人叫做比安基尼，一位物理系的大學(xué)生。當(dāng)時(shí)，他正在泡阿根廷的傳統(tǒng)馬黛茶，馬黛茶的茶葉是粉末狀的。在他倒水的時(shí)候，突然發(fā)現(xiàn)小壺里的茶葉竟然跑到了倒水的水壺中。

比安基尼從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)這種現(xiàn)象，于是去請(qǐng)教他的導(dǎo)師，但是導(dǎo)師也沒(méi)見(jiàn)過(guò)這種逆流的現(xiàn)象。比安基尼于是就利用這種現(xiàn)象作為自己畢業(yè)論文的課題，進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。在實(shí)驗(yàn)中，他把茶葉換成了粉筆末，也發(fā)生了逆流的現(xiàn)象，這說(shuō)明逆流并非是茶葉的專屬。

這個(gè)反直覺(jué)的日常物理現(xiàn)象說(shuō)明，下游的水可以反過(guò)來(lái)污染上游，所以上游的水可不一定比下游的干凈。這種現(xiàn)象后來(lái)就被稱為“逆流污染”。

過(guò)了幾年，美國(guó)羅格斯大學(xué)的工程學(xué)教授特洛伊·辛布洛注意到了比安基尼的論文，并產(chǎn)生了興趣，隨后他召集學(xué)生，重復(fù)了比安基尼的實(shí)驗(yàn)，然后有了新的發(fā)現(xiàn)。

在實(shí)驗(yàn)中，如果發(fā)生了逆流污染，液體一般可以向上攀升1厘米的高度，最高甚至高達(dá)2厘米。另外，無(wú)論冷水還是開水，都可以產(chǎn)生逆流污染，而且哪怕上方流水處的敞口寬達(dá)幾米，液體依然能向上攀爬。

逆流污染現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)可是非常重要的。盡管逆流污染對(duì)我們的日常生活影響不大，但是在化學(xué)領(lǐng)域，例如在配溶液或配藥過(guò)程中，試管里的溶液或藥劑會(huì)跑進(jìn)滴管當(dāng)中，反過(guò)來(lái)污染滴管里的液體，或給滴管造成損害。

那么，液體為什么能倒流呢？這背后的原理是馬倫哥尼效應(yīng)。

馬倫哥尼效應(yīng)

兩種液體相接觸時(shí)，表面張力強(qiáng)的液體會(huì)將表面張力弱的液體拉過(guò)來(lái)，因此會(huì)出現(xiàn)表面張力弱的液體向強(qiáng)的方面滲透。這種現(xiàn)象最早是由意大利物理學(xué)家卡羅·馬倫哥尼首先在1865年的論文中研究發(fā)表的，所以叫做馬倫哥尼效應(yīng)。

但是逆流污染的液體并沒(méi)有相互接觸，科學(xué)家又是怎么確定逆流污染現(xiàn)象是由馬倫哥尼效應(yīng)導(dǎo)致的？辛布洛教授對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他往上游的水里加入能夠減少表面張力的苯扎氯銨活性劑，在他這么干之后，水就不會(huì)倒流了。因此，他確認(rèn)逆流污染現(xiàn)象是由馬倫哥尼效應(yīng)引起的。

馬黛茶

茶葉逆流而上

現(xiàn)在，讓我們回過(guò)頭來(lái)，看看茶葉和粉筆末究竟是怎么向上攀的。在茶葉和粉筆末逆流的實(shí)驗(yàn)中，下方的水由于加入茶葉或粉筆末，導(dǎo)致表面水分子的內(nèi)聚力被破壞，從而使得表面張力降低。加入茶葉的水的表面張力下降了三分之一，而加入粉筆末的則下降了二分之一。這種由與上方的水的表面張力差所產(chǎn)生的馬倫哥尼效應(yīng)，加上較為接近的傾倒距離，水就逆流而上了。

馬倫哥尼效應(yīng)造成各種神奇現(xiàn)象

在日常生活中，不用像比安基尼那樣倒水，我們也可以觀察到馬倫哥尼效應(yīng)。有的人或許遇到過(guò)水躲開薄荷牙膏的現(xiàn)象，而造成這種現(xiàn)象的原因就是馬倫哥尼效應(yīng)。薄荷牙膏里含有薄荷醇，薄荷醇的表面張力系數(shù)為29.7，遠(yuǎn)低于水的72.75。當(dāng)薄荷醇與周圍較近的水相溶后，會(huì)極大地降低這部分水的表面張力，但是，更遠(yuǎn)的水的表面張力卻沒(méi)太大變化。根據(jù)馬倫哥尼效應(yīng)，混有薄荷醇的水被較遠(yuǎn)的水給拉過(guò)去了，從而造成水躲開薄荷牙膏的現(xiàn)象。

此外，馬倫哥尼效應(yīng)還會(huì)造成“葡萄酒之淚”的現(xiàn)象。這是一種在酒面上方的一小段距離，似乎憑空形成下落水滴的現(xiàn)象。葡萄酒之淚出現(xiàn)的原因是酒精的表面張力較低，且揮發(fā)性很高。葡萄酒表面的酒精揮發(fā)，在酒杯壁上留下了表面張力較大的水，但下方酒水的表面張力較小，于是就有肉眼難以看見(jiàn)的蒸氣小水滴源源不斷被向上吸。等杯壁上的水積累到一定程度，就形成水滴往下落，于是乎，葡萄酒之淚形成了。

在實(shí)驗(yàn)室里，還有更為神奇的反直覺(jué)現(xiàn)象：馬倫哥尼效應(yīng)可以使水滴怎么都溶不進(jìn)水液里。如果上方的水滴被加熱，或者下方的水液被冷卻，從而使水滴和水液形成較大溫差的話，那么水滴即使被壓到水平面以下，也不會(huì)跟水液融合。

馬倫哥尼效應(yīng)如何使水滴死活不肯溶進(jìn)水液里的？液體的表面張力不僅跟液體本身的物理性質(zhì)有關(guān)，還跟它的溫度有關(guān)，溫度越高，表面張力越低。在實(shí)驗(yàn)室里，研究人員加熱了上方的水滴，但是由于水滴表面的溫度較低，于是形成了一股向外（方向向下）的馬倫哥尼效應(yīng)流。當(dāng)水滴來(lái)到水液表面，水滴里的熱會(huì)先傳導(dǎo)出來(lái)，加熱水液表面，水液表面也會(huì)產(chǎn)生一股向外（但方向向上）的馬倫哥尼效應(yīng)流。兩股方向相反的馬倫哥尼效應(yīng)流相互抵消，因此，水滴一直溶不進(jìn)水液里。

綜上所述，我們有時(shí)候在日常生活中聽到的，或看到的一些反直覺(jué)現(xiàn)象，也許是真的存在的，而其背后往往蘊(yùn)含著某些早已被發(fā)現(xiàn)的科學(xué)原理。

加熱水滴的裝置圖解1、銅臺(tái)2、珀耳帖元件3、平臺(tái)4、銅管5、加熱裝置6、水滴7、水液