水滴,已经快要被玩坏了。在大刘的《三体》小说里,水滴代表了高科技。要说实际一点的用法,利用水滴,我们可以拍摄一段动画广告。虽然水滴是自由落体运动,快速下落的,但是配合频闪灯光和水滴落下的时间,我们就能只让我们想要的液滴出现,从而呈现连续的动画了。科学家们关于液滴也研究了很多,比如往水里面滴入一滴液体以后,溅起的液体里面到底包含多少原来液体的成分?两种液体是怎么混合的?
液滴与一个完整的液体互相混合的过程,我们可以看到各个部分液体是怎么组成的。尽管水滴身上的聚集着人们很多的目光,但在它们身上,科学家们还是玩出了不一样的「花」。
人工智能发展地越来越快,造出来一个能够走迷宫的机器早就不算什么新鲜的内容了。比如著名的DeepMind公司就曾经开发过一个在迷宫中能够执行搜索任务的AI,通过观察屏幕上出现的像素,来预测和决定自己下一步的动作。
DeepMind开发的非监督辅助任务中的强化学习模型,AI在迷宫中执行搜索任务,上图显示了其如何获取数据并进行分析,最终转化为估值函数。控制液滴来走迷宫这件事情其实也有很多物理学家干过,利用莱顿弗罗斯特现象,当液体接触到远超出沸点的表面时,液体的表面会在高温的作用下迅速汽化形成一层有隔热作用的蒸汽,从而令液体沸腾的速度大大减慢。
如果我们把高温的表面做成有一定倾斜角的锯齿状的话,那蒸汽就会推动液体向前移动了。
物理学家们对这一过程研究地十分全面,评估了产生这个运动所需要的时间和迁移速度,以及其余癸酸钠溶液浓度和NaCl浓度梯度的函数关系。这个关系不仅仅在上面展示的直直的玻璃板上起作用,在十分复杂的环境中,癸醇同样可以沿着形成的浓度梯度迁移。
假如我们在迷宫的出口处放上NaCl,那么在迷宫内会自然地建立一个完整的单向的浓度梯度,从起点指向终点。对于那些错误的道路,因为内部封闭,所以浓度一定比正确的道路的浓度低,从而液滴不会沿着错误的道路前进。从最后结果来看,液滴一路小跑奔向了重点,就像它已经预知了迷宫的正确路径一样。
利用声波可以控制水流的方向。从牛顿时代开始,人们就认识到声音是一种波,由空气的疏密变化导致的。
牛顿当时还建立了模型计算得到声速为298m/s,比起现代的实测值小了15%左右。如果声音在空气中传播形成驻波,声场中的压强对液滴施加的压力与液滴之间的重力存在力平衡,从而可以悬浮在空中。在一些情况中,在声场和液体表面张力的双重作用下,液体会形成圆盘一样扁扁的形状,而不是一个圆圆的球。在声场的作用下,液体变成了一个圆盘。
静止的情况下是这样的,但是如果我们再周期性的改变声场的场强,也就是声波的大小,则可能会破坏这种圆盘的形状。此时会在圆盘的最外缘形成周期性的波浪,这个波浪沿着圆盘边缘传播,从视觉上来看,液滴变成了星形,有突出的地方。
所谓的高射炮打蚊子——大材小用,就比如我们制造出了一个超疏水的材料,它永远都不会被打湿,然后我们把这种材料做成一把刀用它来切水……大家都知道一段歇后语,高射炮打蚊子——大材小用,但是对于那些「无聊」的物理学家们来说,拿高射炮打蚊子其实还是一件很有趣的事情。这个故事发生在2016年,我先来解释一下这个「大炮」是什么。
运动的电荷会产生电流,而电流会在周围产生电磁场,而变化的电流则会产生电磁场,从而辐射出电磁波。当辐射出的电磁波的能量高到一定程度,就是我们说的X射线了。而位于美国斯坦福大学的直线加速器相干光源LCLS(Linac Coherent Light Source)——世界上第一台硬X射线(能量更高的X射线)自由电子激光器,正是我们手里的「大炮」。
利用多次重复拍摄得到的液滴被X射线照射以后的动力学过程. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory。