 如果你是位冲浪高手或者帆船达人，一定很享受在水面浪尖上起舞的感觉。但如果给你一项挑战，让你在海浪“下面”来一次“颠倒冲浪”呢？ 这听起来好像完全是异想天开。但物理学家告诉你，这种反直觉的挑战并非完全不可能。 近期，一组物理学家在实验室中用黏性液体和小船模型展示了这样一种“特技”。他们成功地让一层黏性液体悬浮在空气层之间，并让小船模型“漂浮”在黏性液体的下表面上，就好像创造出了一个对称的“翻转世界”。这一发现不仅颠倒了小船，同样“颠倒”了我们对浮力的理解。这项新研究已于近日发表于《自然》杂志。  浮力并不是一件新鲜事。早在公元前两百多年，古希腊先哲阿基米德在公共浴室“洗了个非常重要的澡”。他走进浴盆后注意到，他的身体浸入水里后，浴盆里的水位上升了一点，还有一部分水从浴盆边溢了出去。同时，他感觉自己的身体变轻了，就像漂了起来一样。 传言的其中一个版本是，阿基米德就此灵光一现，大喊着“Eureka！”从浴盆中跃起，光着身子就跑回了家。虽然这一举动难免让当时看见他的人感到一丝尴尬，但阿基米德自己却摆脱了一直困扰他的尴尬境地。他借助浮力的原理成功帮助希伦二世称量了皇冠。今天我们也会把浮力定律称为“阿基米德定律”。当然阿基米德（以及我们许多人）或许没想到的是，浮力背后还大有文章。 20世纪50年代起，科学家发现，振动可以引起一些奇怪的行为，来对抗重力。1951年，诺贝尔物理学奖得主彼得·卡皮查（Pyotr Kapitsa）发现，快速地上下振动摆锤，可以使这个摆锤保持竖直方向的平衡，而不会向下摆动到它自然稳定的位置。从那时起，科学家就会利用振动来探索“反重力”的例子，比如让液体悬浮在半空，让气泡下沉而非上升。20世纪80年代，物理学家V. N. 切洛梅（V. N. Chelomei）展示了切洛梅摆，这种摆上有一个可以自由滑动的垫圈，当摆竖直振动时，这个垫圈就会“漂浮”在半空中。
 在新的实验中，研究人员最初是受到了卡皮查摆的启发，想探究一下液体中是否存在类似的行为。他们在一台振动的机器顶部建了一个树脂玻璃的容器，并在里面装上硅油或者甘油等黏性液体，然后在容器底部注入了一层空气。他们观察到，振动的液体确实会悬浮在“半空”。 但这其实并非一个新结论。研究的通讯作者Emmanuel Fort介绍，这种现象其实早有记录和报道，但由于他所在的实验室的主要研究方向是光学和成像，因此他之前对此并不清楚。简单理解，振动的容器中黏性流体可以悬浮，这是因为每次液体的一部分将要滴下来时，振动会提供一个相反的力，把它推回原位。这阻止了液体的下表面破裂，并在下方形成了一个“气垫”。 随后，Fort的团队进一步调整了实验，在悬浮的液体中放上了一些小珠子，结果振动“逆转”了浮力的规律。这些小珠子可以平稳地漂浮在液体的下表面。为了视觉效果更好，小珠子又被换成了模型小船，结果小船可以同时漂浮在液体的上、下表面，看起来非常反直觉。
研究人员建立了模型来解释浮力效果是如何被“镜像”到液体下表面的。一般来说，轻微的扰动要么将物体向下推，使其下落，要么让物体上升到液体中，随后浮力会介入，并推动物体上升。但是强振动可以抵消这些扰动。小船在液体的下表面能够保持稳定，因为它的一部分同样“沉”入水中，在那里，重力向下的拉力和浮力的向上推力是完全平衡的。  振动系统已经广泛应用在工业界中。比如在矿物加工和化学反应中，振动可以控制流体中气泡的运动。这项奇怪而反直觉的结果说明，振动系统可能还有许多奇异的特性是我们尚未发现的。 Fort同样表示，虽然研究中的流体体积很小，但理论公式表明，限制液体体积的主要是振动机器的强度。实验效果在黏性液体里很不错，但对水的效果却不够理想。 所以从理论上来说，只要你的振动机器强度跟得上，并且你愿意在一片黏糊糊的矿物油液体中遨游，或许就可以实现那个“颠倒冲浪”的梦想了。 |
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切洛梅摆。| 图片来源：Royal Society Publishing
