關(guān)于作者
2004年畢業(yè)于北京師范大學(xué)物理系，2009年在中國科學(xué)院物理所獲得理學(xué)博士學(xué)位，同年起在中國科學(xué)院物理研究所工作至今。
[水煮物理]之：大象無形
羅會(huì)仟
2010年10月27日
作者：羅會(huì)仟 中國科學(xué)院物理研究所
——《老子》四十一章
古人盲人摸象，或摸鼻子、或摸尾巴、或摸大腿、或摸屁股，無一能摸到大象的真實(shí)面目，即便“十八摸”絕技登場也恐怕摸不出個(gè)道道來。大概就是因?yàn)橛羞@句“大象無形”吧？開個(gè)玩笑，事實(shí)上，此“大象”非彼“大象”，乃是《老子》中道謂之一也。大道無形，無形之物，便是超然。在本節(jié)的水煮大餐里，即將為讀者您奉上無形的代表——流體。
所謂流體，可以從字面上理解為流動(dòng)的物體，也可以從形象上理解為沒有固定形狀的物體。給你一個(gè)流體，你可以塑造成任何形狀——圓的、方的、球的都可以，但這些形狀實(shí)際上都是不穩(wěn)定的——只要你撤掉容器，流體就灘開成別的形狀了。從微觀角度來說，組成流體的分子或者粒子之間的相互作用非常之微弱，比如分子之間的范德瓦爾斯作用，它要比固體中的離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵之類的相互作用要弱的多，正是如此，分子之間的束縛就很小，于是它們之間的距離就很容易因外界擾動(dòng)而改變，表現(xiàn)到宏觀上，就是流體可以輕松擁有任意形狀。用“大象無形”來形容流體是再恰當(dāng)不過了。
生活中最常見也是最特殊的流體當(dāng)屬水。常見是因?yàn)樗采w了地球的絕大部表面，水孕育了地球上的一切生命，水也維持著地球上的一切生命。不止是“女人是水做的”，其實(shí)男人也差不多都是“水貨”。說水特殊是因?yàn)樗鳛榱黧w，水分子之間出了范德瓦爾斯相互作用，還有一種更特殊的相互作用——?dú)滏I，也即水分子因?yàn)殡姾蓸O化造成分子和分子之間還存在一種更強(qiáng)一點(diǎn)的電磁相互作用。正是如此，水結(jié)成冰才體積變大使得冰浮在水表面而不是沉積在下面，否則地球上大部分的魚在冬天都死翹翹了，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都可能為此崩潰。氫鍵的存在也使得水的結(jié)晶態(tài)——冰有各種非常漂亮的形狀，至今人們也沒有弄清楚水有多少種相變。
——《老子》四十一章
古人盲人摸象，或摸鼻子、或摸尾巴、或摸大腿、或摸屁股，無一能摸到大象的真實(shí)面目，即便“十八摸”絕技登場也恐怕摸不出個(gè)道道來。大概就是因?yàn)橛羞@句“大象無形”吧？開個(gè)玩笑，事實(shí)上，此“大象”非彼“大象”，乃是《老子》中道謂之一也。大道無形，無形之物，便是超然。在本節(jié)的水煮大餐里，即將為讀者您奉上無形的代表——流體。
所謂流體，可以從字面上理解為流動(dòng)的物體，也可以從形象上理解為沒有固定形狀的物體。給你一個(gè)流體，你可以塑造成任何形狀——圓的、方的、球的都可以，但這些形狀實(shí)際上都是不穩(wěn)定的——只要你撤掉容器，流體就灘開成別的形狀了。從微觀角度來說，組成流體的分子或者粒子之間的相互作用非常之微弱，比如分子之間的范德瓦爾斯作用，它要比固體中的離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵之類的相互作用要弱的多，正是如此，分子之間的束縛就很小，于是它們之間的距離就很容易因外界擾動(dòng)而改變，表現(xiàn)到宏觀上，就是流體可以輕松擁有任意形狀。用“大象無形”來形容流體是再恰當(dāng)不過了。
伯努利方程圖解
人們最早從物理學(xué)角度全面認(rèn)識(shí)流體，是從伯努利開始。1738年，伯努利的《流體動(dòng)力學(xué)》出版，建立了描述流體定常流動(dòng)的伯努利方程。他設(shè)想氣體的壓力是由于氣體分子與器壁碰撞的結(jié)果，結(jié)果導(dǎo)出了玻意耳定律。伯努利方程實(shí)質(zhì)內(nèi)涵就是說明流體在重力場中流動(dòng)時(shí)能量守恒，一個(gè)簡單的推論就是：流速高處壓力低，流速低處壓力高。生動(dòng)的例子在中國科技館都可以看到：從一個(gè)圓錐形的容器頂端往下吹氣，你放一個(gè)氣球進(jìn)去，氣球并不是順著氣流往下掉而是相反往上爬的；一個(gè)注滿水的V形玻璃管兩邊分別放一個(gè)木球和一個(gè)空心鐵球，靜止時(shí)木球浮在水面而鐵球沉在水底，當(dāng)V形管旋轉(zhuǎn)起來并達(dá)到一定速度時(shí)，鐵球會(huì)浮上來而木球反而沉下水面去了。實(shí)際上，飛機(jī)快速飛上天空，噴霧器和汽缸發(fā)動(dòng)機(jī)原理、足球中香蕉球和乒乓球中旋轉(zhuǎn)球等等問題，都可以用伯努利方程來解釋。流體的魅力在于它總是有一些捉摸不定的東西讓你驚訝。生活中最常見也是最特殊的流體當(dāng)屬水。常見是因?yàn)樗采w了地球的絕大部表面，水孕育了地球上的一切生命，水也維持著地球上的一切生命。不止是“女人是水做的”，其實(shí)男人也差不多都是“水貨”。說水特殊是因?yàn)樗鳛榱黧w，水分子之間出了范德瓦爾斯相互作用，還有一種更特殊的相互作用——?dú)滏I，也即水分子因?yàn)殡姾蓸O化造成分子和分子之間還存在一種更強(qiáng)一點(diǎn)的電磁相互作用。正是如此，水結(jié)成冰才體積變大使得冰浮在水表面而不是沉積在下面，否則地球上大部分的魚在冬天都死翹翹了，整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都可能為此崩潰。氫鍵的存在也使得水的結(jié)晶態(tài)——冰有各種非常漂亮的形狀，至今人們也沒有弄清楚水有多少種相變。
美麗的冰晶——水的結(jié)晶態(tài)
除了水之外，生活中的流體還有空氣，確切地說是各種氣體。大氣和水的共同相互作用，使得我們這個(gè)世界有風(fēng)雨雷霧霜雪等等復(fù)雜的氣候。正是因?yàn)榭諝饪梢噪S處流動(dòng)，“沒有不透風(fēng)的墻”，才讓世界的每一個(gè)角落都充滿生機(jī)。全球大氣循環(huán)帶來的季風(fēng)，就是地球的“呼吸機(jī)”。而大洋中水的循環(huán)則構(gòu)成了洋流，為冰冷的兩極輸去了溫暖。地球內(nèi)部的熔巖也在不斷地流動(dòng)，這形成了地磁場——有效地屏蔽了宇宙中大量的高能輻射，為地球撐起了一把保護(hù)傘。正是這些流體的存在，使得地球成為人類的美好家園。我們要珍惜水資源，也要努力縮小臭氧空洞和溫室氣體的排放，更要利用清潔能源避免環(huán)境惡化。
中國神話傳說中的混沌——就是一個(gè)大怪物
流體沒有固定形狀，用科學(xué)的話來說就是存在許多亞穩(wěn)態(tài)甚至非平衡態(tài)，不穩(wěn)定是流體的典型特征。水流的不穩(wěn)定會(huì)有踹流的出現(xiàn)，小河里的小渦旋就是個(gè)例子。流體的最不穩(wěn)定狀態(tài)是混沌，一個(gè)小小的初始狀態(tài)的改變會(huì)帶了很大的不同效果。南美洲的小蝴蝶輕輕扇動(dòng)翅膀，若干天后在北美洲就會(huì)引起一場颶風(fēng)！“蝴蝶效應(yīng)”的威力雖說夸張了點(diǎn)，但也無法否定這種可能性。科幻電影認(rèn)為跨越時(shí)空到古代，哪怕是踩了一顆小草也許就毀滅了當(dāng)今的一片森林，這或許也是對(duì)人類的一種警示吧。影片《后天》講述的就是因?yàn)槿蜃兣瘜?dǎo)致洋流紊亂和氣候惡化，地球從極地開始迅速進(jìn)入冰川期，引發(fā)了全球性的大災(zāi)難。這并不是人類的可怕臆想，對(duì)這些“善變”的流體，若我們不善待它們的話，終有一天人類會(huì)遭到前所未有的報(bào)應(yīng)的。 
大氣循環(huán)與季風(fēng)
地磁場——地球的保護(hù)傘
認(rèn)識(shí)到地球上一些流體的重要性，再讓我們看看宇宙中的流體。宇宙里的物質(zhì)相隔距離一般都很遠(yuǎn)，從某些意義上說，它們之間的相互作用主要是引力相互作用——這是一種非常弱的相互作用?；蛟S可以把宇宙看做一個(gè)流體，這是宇宙學(xué)早期的簡單思想?，F(xiàn)代宇宙學(xué)發(fā)現(xiàn)了一種更為玄妙的流體——暗能量，它占據(jù)了宇宙的73%左右的質(zhì)量，是我們宇宙的重要組成部分。但暗能量究竟是什么東西，人們還在云里霧里。這個(gè)暗能量最匪夷所思的特征就是它具有負(fù)壓強(qiáng)。一般來說，我們常見的流體都是體積越小壓強(qiáng)越大的，或者說體積越大壓強(qiáng)越小的。但是暗能量不同，它是體積越大壓強(qiáng)越大！正是由于大量暗能量的存在，才使得我們的宇宙在加速膨脹，越變?cè)酱螅?/span>
暗能量——宇宙的幽靈還是主人？
從微觀上，我們或許可以借意推廣流體的概念。電流是電子的微觀流動(dòng)，熱流是熱量的微觀流動(dòng)，磁通渦旋流是磁通量子的微觀流動(dòng)，光的傳播是光子的微觀流動(dòng)。盡管這些所謂“流動(dòng)”還是經(jīng)典物理學(xué)的概念和直觀的想象，在現(xiàn)在量子力學(xué)的框架下這么理解并不正確，但我們至少形象地看到，原來微觀粒子的流動(dòng)也可以“無形”。宇宙大爆炸殘留的輻射——微波背景輻射就是一種粒子流，彌漫在整個(gè)宇宙中。
微波背景輻射示意圖
有趣的是，不光是物理中流體的概念引入了“流”的物理思想，在數(shù)學(xué)里面也存在諸多的“流”。如“矢量流”和“流形”。流形是數(shù)學(xué)里的重要概念，是局部具有歐氏空間性質(zhì)的空間，如果我們把幾何形體看做是柔軟的沒有固定形狀的，那么流形就是可以保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的空間（拓?fù)渫撸?，研究流形的性質(zhì)只需要將其映射到歐氏空間就可以。這么一來，抽象的數(shù)學(xué)概念用形象的物理語言來理解就輕松多了。
流形——數(shù)學(xué)里的重要概念