在吹泡泡史上，这些科学家留有姓名

肥皂泡从吹到破裂只存在几秒钟。然而，在漫长的历史中，无数学者被这种转瞬即逝的魅力所陶醉，试图解开泡沫带来的神话。

表面张力和长寿命气泡

英国实验物理学家博伊斯设计了一个肥皂泡实验，这可能是最广泛接受的。

1889年圣诞节期间，他做了几次公开演讲，展示邵青的肥皂泡实验。其中一个实验如下:将一个圆环放在肥皂水中，形成一层肥皂膜。如果一根线系在环上(其中一段是双线)，将形成三个膜，双线中的膜将被刺穿，双线覆盖的区域将自然形成一个圆。

两根线被拉成一个圆的事实意味着深刻的数学和物理。

这个实验直观地展示了表面张力使液体表面积最小化的过程，这也是空气中肥皂泡变成球形的原因。

然而，表面张力对肥皂泡的重要性远远不止于此——它是肥皂泡的生命线。当肥皂泡的液膜受到扰动并局部变薄时，这部分区域的表面张力将变大，并对周围的液体产生更大的张力。因此，液体将被自然地拉到较薄的部分，以完成自我修复。这种现象被称为马兰戈尼效应。

看似脆弱的肥皂泡一直在自我修复，想着一些悲惨的事情...| pixabi

詹姆斯·杜瓦，低温气体研究的先驱，因发明保存液态空气的杜瓦瓶而闻名。在他生命的最后20年，他沉浸在对肥皂泡表面张力的研究中。

他创下了惊人的记录。杜瓦瓶小心地将气泡储存在一个特殊的瓶子里，以减少与空气杂质的接触，从而将气泡保存了三年。

据推测，瓶子里的气泡也感受到了马拉加尼效应的力量。

牛顿无处不在

然而，肥皂泡最吸引人的地方是颜色的变化。

为什么阳光下的泡沫是有色的？这个问题的答案来自牛顿。

牛顿的一生是辉煌的，数学、力学、光学、天文学都在蓬勃发展。在它的光学成就中，有一项被称为“牛顿环”的研究成果，可以解释为什么气泡是彩色的。

肥皂膜本身是无色的。阳光分别在肥皂膜的上表面和下表面反射并发生干涉。阳光由不同波长的可见光组成。在影片的某一部分，两个反射光中的红光相互抵消，这一部分是蓝绿色的。在另一个地方，红灯可能会加强。另外，肥皂膜的厚度并不均匀，随着气流和重力的扰动，膜的厚度也一直在变化。因此，整个肥皂泡呈现出不断变化的色彩。这种现象发生在浮在水面上的油膜表面、镜片或珍珠上。

透镜上的牛顿环|维基

老勋爵的问题

当然，牛顿不是通过吹泡泡发现牛顿环的。然而，相当多的学者在吹肥皂泡中发现了一个新世界。

热力学创始人、英国物理学家开尔文勋爵就是其中之一。

开尔文曾经说过:“如果你吹一个肥皂泡并观察它，你可以一辈子研究它，得到一个又一个物理定律。”1887年，凯尔文的侄女去乡下看老爵士乐。打开门，我们面前的照片是一个快乐地吹泡泡的大学生。

沉迷于肥皂泡的开尔文勋爵曾经问了一个问题:如果空间被分成许多部分以确保最小的接触面积，这些部分应该是什么形状？

这个问题被后人称为“开尔文问题”。

在二维平面上，开尔文问题已经被蜜蜂解决了。六边形蜂窝结构是飞机上最有效的堆叠方法。当然，蜜蜂没有数学基础。它们筑巢只是为了保存蜂蜡——这是大自然的智慧！

至于三维空间中的开尔文问题，老洛德自己给出了截断八面体的答案，它由八个正六边形和六个正方形组成。

开尔文认为用这种结构填充空间是最有效的。这个答案显然是受肥皂泡的启发。

截面八面体(6个正方形和8个正六边形)及其空间排列|维基

尽管开尔文没有给出他的陈述的严格证据，但在接下来的100年左右，大多数人认为提问者的答案是解决问题的最佳方案。

超越开尔文-威尔-弗兰泡沫

直到1993年，开尔文的泡沫破灭了。

爱尔兰物理学家丹尼斯·威尔和罗伯特·弗兰提出了一个超越开尔文结构的新设计。

这种被称为“堰-弗兰泡”的结构由12面和14面单元组成。与开尔文的方法相比，用威尔-弗兰气泡填充空间可以节省0.3%的原材料。

威尔-弗兰泡泡结构|维基

值得一提的是，威尔弗兰泡泡是北京奥运会游泳中心(水立方)设计的灵感。由于借鉴了该模型，“水立方”所需的钢材量大大减少，整个建筑主体完成了6700吨钢结构(与正常水平相比，节省了多少？).

水立方借鉴了威尔-弗兰泡泡模型|维基

然而，意志-弗兰泡沫是否是“开尔文问题”的最终解决方案目前还不能确定。我们只能希望吹泡泡的科学家会振作起来。

普拉托也有一个问题

像开尔文一样，比利时物理学家普拉托也是一个沉迷于吹肥皂泡的大师。他甚至写了一部450页的关于气泡的专著，“仅在分子力作用下的流体静力学和实验”。

普拉托还发现了吹泡泡的一个问题:如何在数学上给定边界曲线的情况下找到最小的表面。这个问题也被称为“普拉托问题”。

为了解决这个问题，需要许多关于几何的先进理论。但是在生活中，只要你把一根电线弯曲成一个边界，并把它浸在肥皂水里，你吹出的泡泡就是普拉托问题的解决方案。

约瑟夫·普拉托沉迷于泡沫研究|新科学家

当然，科学家不会如此满足。他们渴望数学的严格证明，甚至将普拉托问题发展到高维空间。这种对“最小表面”的探索吸引了许多杰出的头脑。

2019年，被称为“诺贝尔数学奖”的阿贝尔奖被授予美国数学家卡伦·乌伦贝克。顺便说一句，这也是女数学家第一次获奖。

作为现代几何分析的创始人之一，乌伦贝克最著名的工作是研究极小曲面。谁知道呢，也许她在私下里吹泡泡。

乌伦贝克| sohu.com，第一位获得阿贝尔奖的女性

科学家从未停止对肥皂泡的研究。

从泡沫延伸出来的科学问题不仅限于数学和物理。生物膜类似于肥皂膜，材料科学中的泡沫结构，工程科学中的充气膜结构...所有的研究对象都值得一生投入吗？

研究人员日夜思考的科学问题和孩子们在夏天下午吹出来的五彩缤纷的颜色也值得追求和欣赏。

肥皂泡研究的故事还在继续。吹泡泡的人总是在那里。

作者的名片

作者:白雪广场

编者:圆方形麦芽白杨

排版:雷英

来源:pixabay

参考:

吴。从吹肥皂泡开始，[·J]。力学与实践，2005(06):888。

[2]https://www . nature . com/articles/d 41580100931

[3]欧阳中灿，刘继兴。从肥皂泡到液晶生物膜[男]。长沙:湖南教育出版社，1994

博伊斯的《[4》；谭等.肥皂泡及其形成力.北京:科学出版社，1974

[5]https://zapatopi . net/kelvin/papers/on _ the _ division _ of _ space . html

《最小曲面上开尔文猜想的反例》，[，[。哲学杂志快报，1994，69(2):10110。

[7]https://math world . wolfram . com/PlatausProblem . html

[8]

[9]https://www . animations . physics . UNSW . edu . au/jw/light/Newton-ring . html

[10]http://news . science net . cn/html paper/20099895978697247 . shtm

[11]https://www . Sohu . com/a/302780853 _ 220095