摘要：桌面上晾干的污渍，溅落在人行道上的雨滴，一堆滑动的沙砾。这些现象很少引起物理学家的关注，因为它们似乎平凡无奇，缺乏根本意义。同时，这些日常事件也往往难以理解。
@Sidney Nagel
桌面上晾干的污渍，溅落在人行道上的雨滴，一堆滑动的沙砾。这些现象很少引起物理学家的关注，因为它们似乎平凡无奇，缺乏根本意义。同时，这些日常事件也往往难以理解。
它们失衡无序，超出了普通物理学家的理解范围。
但令内格尔震惊的是，当人们观察周围的世界时，这些最简单的问题却没有答案。
撰文 | Charlie Wood
物理学家以关心最宏大的问题而闻名：宇宙的形成、黑洞的碰撞、时间和空间的本质。但在芝加哥大学的办公室里，西德尼·内格尔关注咖啡渍、交通堵塞以及“大自然运作的所有方式，而不仅仅是那些听起来深奥难懂的问题”。
20世纪70年代，他的职业生涯始于研究玻璃结构——这是凝聚态物理学的一个传统课题。之后，他又将研究范围拓展到物理学界普遍忽视的、更为奇特、更为柔软的物质形态，并成为软物质物理学领域的先驱之一。
内格尔和他的同事们发展了“堵塞”理论，从而解释沙粒和交通的流动（或不流动）。他们还偶然发现了液滴和飞溅物中的新现象。
“我始终坚信，只要你足够仔细地观察任何事物，就能发现新的宝藏，”内格尔说道。
尽管他的工作颇具异端色彩，但却影响深远，广受赞誉：内格尔于1999年荣获凝聚态物理学领域最令人垂涎的奖项——巴克利奖，并于2023年荣获美国物理学会杰出研究成就奖章，这个奖项有时被称为“物理学的终身成就奖”，表彰“在促进我们对物理宇宙各方面的知识和理解方面做出最高水平贡献的人”。
在研究过程中，他不遗余力地捕捉赏心悦目的视觉效果。他实验的图像曾将博物馆的墙壁装饰一新，这项成就似乎至少让内格尔和他的发现一样感到自豪。“当人们看到墙上的这幅图像时，我希望它能让他们感到更加充实，”他说。“重要的是，这需要一位完整的人——一个能够同时欣赏艺术和科学的人——去欣赏它。它不仅仅局限于某一方面。”
今年三月，在阿纳海姆举行的美国物理学会（APS）会议上，《量子》杂志采访了内格尔。坐在加州阳光下的石凳上，内格尔谈论了咖啡渍、意想不到的飞溅，以及美学在他科学实践中的作用。
（采访内容经过精简和编辑，以便于理解。）
《量子》杂志：您被引用次数最多的论文是关于咖啡滴在台面上留下的环状污渍的。是什么让您对这些污渍感到好奇？
内格尔：我这个人不太爱整洁，而且每天早上都需要喝咖啡。所以有一天，我正坐在那里等咖啡因发挥作用，突然发现我的桌面上沾满了前一天留下的咖啡渍。我开始纳闷：“它们为什么看起来这么奇怪？”
为什么咖啡（以及其他液体）滴干后会留下深色的环状痕迹
《量子》杂志：它们看起来有什么奇怪之处？
内格尔：想象一下，一滴液体，中心高，边缘低。所以，咖啡会更多地出现在液滴的中间。那么，当它干了之后，污渍应该在中心颜色更深，边缘什么也没有。但我桌面上的污渍却恰恰相反。所有的咖啡，都出现在环状痕迹的外边缘。我们问了很多人为什么会这样，每个人的答案都不一样。
《量子》杂志：你是怎么弄清楚是怎么回事的？
内格尔：如果你想了解某件事的成因，你应该能够做到消除它。但这种环状现象非常顽固。它几乎无处不在——例如，冬天踩在靴子上留下的盐渍，你就能在上面看到。盐会聚集在水滴的边缘，这些水滴是由靴子上滴落的雪泥融化而成的。随着水滴蒸发，它们会留下一圈圈白色的结晶盐。
最终，我的一个学生用玻璃片盖住水滴的外缘，只露出中心，从而阻止了边缘污渍的形成。这才是思考这个问题的关键。
《量子》杂志：那么，为什么咖啡最终都会聚集在边缘呢？
内格尔：我们一直假设水滴蒸发时的整体形状保持不变，只是大小均匀缩小——这一理论可以追溯到19世纪初托马斯·杨的研究。但事实并非如此。水滴被固定在表面，然后从各个方向蒸发，尤其是从边缘蒸发。任何从边缘蒸发掉的物质都必须通过内部的流动来补充。这会将咖啡拉到外部，留下主要在边缘的污渍。
（该研究发表于1997年顶级期刊nature）
内格尔的办公室里摆放着各种各样的玩具和演示品，比如一个用于研究芥菜种子如何落下的装置（顶部中央）。
《量子》杂志：你还发现了什么关于液体的事情？
内格尔：我们开始思考，当一滴水滴撞击表面并溅成一堆小液滴时会发生什么。所以我们首先开始记录这些美丽的溅水视频。
但是，是什么导致了溅水？我能控制它破碎的方式吗？我们想到在真空中尝试一下。由于没有空气来减缓水滴的速度，我们觉得溅水会更大、更剧烈。
《量子》杂志：发生了什么？
内格尔：溅水消失了！我们笑得前仰后合，倒在地上。当我们终于站起来时，我们开始认真研究这种效应。人们对溅水的研究已经持续了100年，却没有人想到要把空气抽出来。这或许是一个愚蠢的实验！空气的密度比水小1000倍，在直觉上不应该造成很大的影响。
《量子》杂志：为什么会这样呢？
内格尔：我们当然没有立刻想到这一点，但通过排除法，我们最终锁定了液滴撞击表面后试图向外膨胀与试图阻挡液滴的空气之间的竞争。通常情况下，当液体向外膨胀时，一些空气会从液滴下方滑落，将其稍微抬高。现在，液滴的边缘处于漂浮状态，因此它的运动速度比仍然粘在表面时要快得多。液滴会以日冕的形式向外喷射，然后日冕会破碎。没有空气，液滴会停留在表面，永远没有机会溅起。所以，地球上可能会溅起水花，但在月球上却不可能。或许在至少有一点大气层的火星上，水花会溅起。
在左侧的慢动作视频中，一滴液体从空中落下，撞击表面，溅起形成一个日冕形状，日冕碎裂成许多微小的液滴。在真空中（右图），不会发生溅射，液滴在表面平滑地铺展。
《量子》杂志：你也观察过沙子。沙子有什么奇妙之处呢？
内格尔：我们来做个小实验。把沙子倒进一个容器里。它的密度是多少？好，你写下你的想法。现在我轻敲容器几次。高度下降，密度上升，而且上升幅度不小！在某些情况下，可能会增加10%。
任何“正常”物质都不会这样表现。我给你一容器水，你知道它的密度。但如果我给你一管颗粒状物质——某种程度上来说，这几乎包含了你吃的所有东西，比如米粒——我们该如何描述我给你的东西？除非我告诉你我对这个系统做了什么，也就是说，我摇晃了多少次，轻敲了多少次，否则你不会知道。
《量子》杂志：那么，我们应该如何看待沙子呢？
内格尔：它是一个美丽的例子，它展现了无序的、远离热平衡的物质。温度通常通过推动分子运动，使气体或液体达到平衡状态。但你必须把房间温度提高一万亿倍，才能有足够的能量让空气开始重新排列沙粒。所以从这个意义上讲，这就像沙子非常冷。我们可以把它放在那里，温度也无法使它达到平衡状态。
从这个意义上讲，它很像玻璃，这也是我在70年代开始研究的。玻璃也是一种无序的、非平衡的物质，在室温下会在某种程度上（但并非完全）冻结。
在研究液滴脱离时所呈现的形状时，内格尔用哈苏胶片相机和高速闪光灯拍摄了图像。下落的液滴遮挡了激光，从而触发了闪光灯。
《量子》杂志：您还研究过各种其他现象——水滴下落时的形状，以及材料以实用方式变形。您认为自己是哪种物理学家？
内格尔：真奇怪。
我不知道该如何回答这个问题。显然，我喜欢我认为美观的事物。这对我来说非常重要。
我们花费了大量时间，试图拍出完美的水滴照片——不仅仅是物理效果，还有这种现象难以言喻的美。我是人，不仅仅是物理学家。所以我希望我们所做的事情在科学和美学层面上都能吸引我。亲眼目睹自己所做的事情，而不是像某些物理学领域经常发生的那样，被隐藏在某个黑匣子般的仪器后面，也会带来一些成就感。
《量子》杂志：物理学的一个主要驱动力是将世界简化为它的基本规则和组成部分，但您却选择了不同的方向。为什么？
内格尔：我们被教导要寻找越来越精细的解释，从而引领我们走向更深层次的理解。我非常尊重物理学的这一方面。我的妻子是一位粒子物理学家。但我相信，我们的工作远比这更丰富。对我来说，大自然运作的所有方式都很重要，而不仅仅是那些听起来深奥难懂的方式。
从某种意义上说，我认为从事所谓的“基础”物理学就像坚守“现代主义”建筑，形式必须服从功能——两者是同一的。但令人兴奋的结构可以通过摆脱这种单一理想并探索例如后现代建筑来产生，在后现代建筑中，建筑可以拥有不受其功能严格限制的方面。我们曾经封闭物理学，不去观察这些更奇特的东西，但这些东西也是世界的一部分。宣称只有一种可接受的方式来选择值得研究的问题，未免有些自命不凡。
《量子》杂志：我感觉到你在职业生涯中面临过一些阻力或质疑。
内格尔：是的，偶尔会有。有些人对我的研究有些不满，因为他们认为我研究的某些主题不够“严肃”。另一些人则因为我强调一些在他们看来不科学的方面而感到不满。我们本来可以不必为了完善摄影技术付出那么多努力，也能捕捉到同样的物理现象，而这让人们感到不满。他们说：“你是科学家，不应该关心这些事情。” 但对我来说，尽可能多地关注人类探索的方方面面很重要。
这就是为什么对我来说，终身教职的意义如此重大。大多数地方不会鼓励我从事这类研究，但芝加哥大学对我很好。我的意思是，你会给一个研究咖啡渍的人终身教职吗？
《量子》杂志：我可能会。这篇论文已被引用超过7000次，其中包括开发喷墨打印机和纳米技术的工程师。
内格尔：现在也许会，但当时不会。人们不喜欢我做的事情，他们也告诉我了。但是，你知道，我玩得很开心。
内格尔是软物质物理学领域的先驱之一。今天，它是物理学的主要焦点，但几十年前，它不仅鲜为人知，而且被鄙视。
延伸阅读
咖啡环效应的妙用
"咖啡环"效应不仅在实验室中用于研究液体在固体表面的行为和特性，在喷墨打印、生物医学、微流控制系统等领域也有一定的应用价值。
1、微流体技术
微流体技术是现代生物分析和医学诊断的重要工具，利用咖啡环效应，研究人员能够在专业设备中操控和分离细胞等很小的颗粒。
溶剂蒸发过程空气-液体界面粒子自组装示意图
2、涂层技术
咖啡环效应在涂层技术中也具有重要应用。传统的方法总会存在涂层不均匀的问题，而利用咖啡环效应可以帮助涂层变得更均匀。在涂层过程中，控制液滴的蒸发速率，可以使涂料中的颗粒分布得更均匀致密，从而得到效果更好的均匀涂层。
双液滴涂层技术示意图
3、喷墨打印
咖啡环效应可以调控喷墨打印过程中墨水的干燥过程。通过调节喷墨的速度、墨滴大小和温度等，可以引导墨水中颗粒在液滴边缘聚集，从而打印出更清晰分辨率更高的图案。这种技术可以用在需要高精度的图像打印，如艺术印刷、照片打印等方面。
通过利用"咖啡环"效应打印特定图案
喷墨制备高质量光子晶体图案
参考文献
[1] Finding Beauty and Truth in Mundane Occurrences
[2] Deegan, R., Bakajin, O., Dupont, T. et al. Capillary flow as the cause of ring stains from dried liquid drops. Nature 389, 827–829 (1997). https://doi.org/10.1038/39827
[3] 咖啡环效应：液滴蒸发的奇妙现象
本文经授权转载自微信公众号“3磅宇宙”。
特 别 提 示
来源：返朴一点号
