举世闻名的 沥青滴落实验 中正发生一件奇怪的事:最新一滴形成的速度远快于前几滴。
到目前为止已经出现了九滴,人们现在都在关注能否观察到 第十滴,预计会在2020年代某个时候出现。
这项实验实际始于1930年10月,如今被吉尼斯世界纪录认定为 持续时间最长的实验室实验 ;而在这段时间里,从未有人亲眼见过一滴沥青落下。
然而,这项最初只是简单课堂演示的实验,吸引了全球数以万计的人关注。
实验之初
这项实验的创始人和首任保管人是托马斯·帕内尔教授,他是昆士兰大学首任物理学教授。1927年,他搭建了这项实验,用来展示沥青的黏度——沥青是已知存在的最黏稠流体。
帕内尔教授加热了一些沥青,将其倒入玻璃漏斗,然后放置冷却三年。1930年10月,漏斗底部被切开,沥青开始流动。
第一滴用了八年才落下。之后五滴各用了七至九年才落下,第六滴于1979年4月落下。
第七滴于1988年7月落下,也就是第六滴落下九年后——当时看起来,沥青滴落实验似乎已经展示了它所能展示的一切。
但科学很少会按计划发展。近些年来,沥青滴落实验变得远没有那么容易预测。
令人头疼的第八滴
第八滴用了超过12年才落下。没人确切知道它为何耗时如此之久。或许是因为漏斗中剩余沥青的质量不断减少,所产生的压力也随之降低。
另一种解释是,容纳沥青滴落实验的大楼在20世纪80年代进行过翻修;有人认为新安装的空调使实验冷却,从而让沥青的黏度增加。
支持这一假设的证据是第八滴的体积,它明显大于此前的各滴。
人们希望第九滴能为这个谜题带来一些线索,但第九滴开始下落时,碰上了下方烧杯中第八滴的尾部。
沥青滴落实验的第二任保管人约翰·梅因斯通教授认为,最好不要改动实验,而是让沥青滴落实验保持帕内尔教授创建时的样子,看看会发生什么。
十年后,显然第九滴比前七滴更大,下落速度也更慢。但这并没有解答尚未解决的问题,因为实验条件已经改变——第九滴正由第八滴支撑着。
科学的本质如此,实验过程中又出现了更多意外。2012年初,我安排了一台摄像机记录沥青滴落实验,并制作延时视频,以便实际看到沥青下落。
到2013年年中,显然第九滴并不会真正落下,而是会轻轻触底。
得知第九滴不会落下,虽然令人失望,但沥青滴落实验仍带来了新的发现。第八滴的细颈正在弯曲并断裂;延时视频显示,第九滴的下落正在加速;同时,人们仍希望成为历史上第一个亲眼见证一滴沥青走到终点的人。
仍无目击者
自沥青滴落实验于1930年开始以来,从未有人亲眼见过沥青真正滴落。帕内尔教授和梅因斯通教授之所以知道各滴落下的日期,只是因为某天那滴沥青还连接着,第二天就已经落下。
2000年,人们架设了电脑和摄像机,试图记录第八滴,但一次发生时机不巧的停电使记录落空。
尽管第九滴实际上不会落下,全球各地的人们仍对此高度关注(来自158个国家的31,335人注册观看现场直播),想知道第九滴究竟何时触底。
我架设的延时摄像机还连续录制了最近四天的视频,此外,另有两台摄像机在等待第九滴落下时架设就绪。人们原以为,这样便能在历史上首次确定触底的确切时刻。
但沥青滴落实验另有打算。
当水或沥青等物质滴落时,液滴起初速度为零,随后自由下落,以9.8m/s2的加速度加速,直至撞到地面而停止。
由于速度变化十分明显,确定这种情况发生的时刻很容易。不幸的是,第九滴不会自由下落,因此速度不会突然增加。
更糟的是,第九滴并非正好落在第八滴上方,而是会擦碰一下,触底后仍继续下落。
这意味着,要确定第九滴触底的时刻,就得察觉它的下落速度从极慢变得更慢。
地球上没有人可能看出这种变化何时发生。观察者最初的最佳估计是,触底时间落在2014年4月11日至14日这四天之内。
人们希望能从延时视频中看到触底过程——视频由每天拍摄一次的一系列静态图像合成,因此运动速度被加快了两百万倍。
不幸的是,第八滴离摄像机稍近于第九滴,因此两滴的接触点被遮挡,无法看见。不过,通过分析延时视频,可以确定触底日期。
在我和安东尼·杰科博士的分析中,下图显示了4月4日至23日液滴的位置。数据的斜率表示沥青下落的速度。
沥青滴落实验中的第九滴何时落下?作者提供
在4月11日/12日前后可以看到一个不连续点:沥青下落速度从每天0.25mm(蓝线)变为每天0.1mm(绿线),表明触底发生在4月11日或12日。
确切时刻还可以进一步确定:我有幸在4月11日中午前后仔细查看了沥青滴落实验(拍摄11日照片之后),当时第九滴与第八滴之间仍能看到一道小缝——宽度仅为几分之一毫米。
根据上图所示的下落速度,可以得出结论:触底发生在4月12日。
虽然这澄清了第九滴何时触底的问题,但沥青滴落实验又引出了更多问题。
第八滴触底后没有断开,第二任和第三任保管人——梅因斯通教授和怀特教授——曾多次讨论,如果第九滴也触底,该怎么办。
他们早期考虑过的一种做法是抬高玻璃漏斗,为液滴形成留出更多空间——然后希望它们能够断开。但等他们确定采取这一做法时,已经太迟了,因为第八滴似乎已与下方的液滴堆牢牢粘在一起。
沥青滴落实验揭开面纱
为了避免第九滴重演这一情况,怀特教授于今年4月24日决定更换烧杯——几十年来首次取下覆盖沥青滴落实验的钟形玻璃罩。
他和所有在世的人都不知道,玻璃钟形罩与实验所在的木制平台之间有一道密封,而这道密封随着时间推移已经老化。
玻璃罩并未如预期那样单独抬起,整个实验装置短暂地随罩抬起,随后分离并落回原处。这导致第九滴的细颈彻底从它原本下落的漏斗上断开。
观察断裂的细颈时,人们发现了一件颇为奇特的事。细颈中心有一个凹陷,这表明第九滴并非由上方圆柱形细颈的整个圆形横截面支撑,而是由外侧环状部分支撑,因为断裂处的细颈是中空的。
速度正在加快
另一个奇特的发现是,第十滴形成的速度似乎快于预期。对前六个月延时影像的分析显示,第十滴的体积每天约增加19 mm3——也就是大约每50天增加一立方厘米。
1984年,关于沥青滴落实验发表的第一篇、也是唯一一篇 论文 指出,沥青的黏度(取前六滴的平均值)为2.3×108 Pa s(帕斯卡秒)——约为水的2500亿倍。
使用论文中的相同尺寸数据,我计算得出第十滴的黏度为2.7×107 Pa s——约为水的300亿倍。
尽管这个新数值比旧数值小一个数量级,可以解释明显更快的流速,但它仍处于原论文使用包含每日和季节温度变化的模型所预测的数值范围内。
沥青滴落实验近期还有一项进展,或许能够解释第十滴流速为何增加:实验展示柜中的照明。
2010年4月,我安排在展示柜中安装荧光筒灯。几年后,这些灯被温度高得多的卤素灯替换。
沥青滴落实验在世界各地拥有粉丝,他们通过互联网观看直播,因此灯必须持续开启。但这使展示柜内的温度升高;更糟的是,沥青滴落实验被密封在自己的温室——钟形玻璃罩——之中。
今年10月17日,怀特教授和我测量了几处温度,发现沥青滴落实验的温度比室温高出几度,而且各处温度不同:漏斗顶部的沥青几乎比液滴中的沥青高十度。
温度升高会加快流速,这或许可以解释第十滴较低的黏度和较快的形成速度。
升高的温度究竟产生了多大影响,很难说,因为沥青滴落实验最初只是一个演示项目,从未记录过温度;但我们终将弄清楚。
筒灯现已换成温度低得多的LED灯,使沥青滴落实验的温度恢复到了室温。
希望再过六个月就有足够的数据进行比较,不过,沥青滴落实验也可能另有打算,所需时间或许会更长。
毕竟,在沥青滴落实验揭开所有秘密之前,还会经历多少任保管人,谁也说不准。我想,我们只能等待并观察。
与以下机构合作发表: The Conversation
作者:安德鲁·斯蒂芬森是昆士兰大学的科学传播者。
图片:安德鲁·斯蒂芬森博士和安东尼·杰科博士检查世界上持续时间最长的实验室实验。

