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It's Okay To Be Smart
撰文 | 张二七
编辑 | 吴非
如果你喜欢在早餐时来上一碗牛奶泡谷物圈，你可能会发现，谷物圈并不会均匀地分布在牛奶表面，而是会聚在一起，或是贴着碗边分布。
不爱吃谷物圈也没关系，喝可乐或其他碳酸饮料时，你也可能注意过类似的现象：汽水表面的泡沫或是聚成一团，或是贴着杯壁，总之很少有零星的小泡泡独自游荡。
其实，不止是谷物圈和泡沫这种密度比水小的物体，那些密度比水大的物体也能产生类似的现象。比如，若你让几枚图钉或曲别针漂在水面，它们靠近时也会相互吸引。但当一枚图钉与一粒谷物圈相遇，则会相互排斥。
这个最早发现于早餐中的现象引起了物理学家的注意，它也因此拥有一个很“好吃”的名称：“
谷物圈效应
”（Cheerios Effect）。
事实上，“谷物圈效应”早在70年前就被发现并引发过讨论，但直到2005年，哈佛大学的科学家才首次对该现象进行了详细解释和模型计算。相关论文发表于《美国物理杂志》，其作者之一L. Mahadevan热衷于用物理原理解释日常生活中的现象，比如观察油漆干燥的过程、纸片下落的过程，以及研究折纸中的结构力学和墨水中的流体力学等。
根据论文的解释，“谷物圈效应”源于
表面张力和毛细现象带来的液面变形
。当能够产生液面变形的两个物体靠近时，由于系统的重力势能和表面能倾向于最低，物体之间就会互相吸引或排斥。
你可以想象一个足够软的沙发垫，在上面放两个球，球就会滚到一起。“谷物圈效应”也是类似的情况。当你将两枚图钉放到水面上时，表面张力使它们不会沉入水底，只会在水面形成两个凹坑。当它们靠近时，凹坑会合并，两枚图钉也会碰到一起。
本段落视频均来自It's Okay To Be Smart
对谷物圈这种密度比水小的物体来说，情况正好相反。当两枚谷物圈漂浮在水面上，浮力会使它们
趋于液面最高点
。由于毛细力让谷物圈周围和杯壁附近的液面凸起，两个“小山包”靠近时也会合并，谷物圈就会聚在一起或是贴近杯壁。
但当一重一轻两个物体在水面漂浮，它们贴近时就是一个凹陷和一个凸起相邻，此时表面能反而会增大，因此它们会相互排斥。
将固体放在液体表面会产生谷物圈效应，那么反过来又会如何呢？研究发现，
液滴落到固体表面时也能产生类似的效应
，只要固体表面足够柔软即可。
这项研究于2016年发表于《美国科学院院报》。研究发现，通过改变固体表面的柔软程度，就能控制液滴的分布方式。
在厚度不同的弹性表面，水滴体现出了吸引（左）和排斥（右）两种不同的相互作用。（图片来源：S. Karpitschka et al., 2016）
论文的共同作者，伦敦玛丽女王大学的Lorenzo Botto介绍道：“这一发现可以应用于设计与表面液体分布方式有关的材料，比如制造防雾玻璃。通过控制玻璃表面的软硬和薄厚，我们就能够控制水汽在膜上的凝聚或分散。”
“液滴使它们所处的表面变形，并且由于这种变形，产生相互作用——这有点让人联想到广义相对论中，星系或黑洞会使它们周围的时空变形，”论文的另一位共同作者，Stefan Karpitschka这样认为，“在我们的案例中，值得注意的是，相互作用的方向可以通过介质进行调整，而无需改变颗粒本身。”
“谷物圈效应”已经发现了许多年，但过去关于谷物圈间力的大小都只有理论计算，缺乏实际测量结果的验证。这是因为在如此小的尺度下测量实际作用力非常困难。传统的测量方法通常是在物体上布置一个传感器，但这种力太小了，任何机械式的测量方法都会造成很大干扰。
最近，布朗大学的一个研究小组找到了一种方法，可以
直接测量这种力的大小
。研究结果发表于《物理评论快报》。
据论文的共同作者之一，布朗大学的本科生Ian Ho介绍，这是首次在厘米至毫米尺度下测量这种作用力。他说：“这个现象在生活中随处可见，并且对于微型机器人的设计非常重要，但过去从未有人进行这种尺度的测量实验。”因此他们决定进行一次尝试。
论文的另一位共同作者，布朗大学的Danial Harris教授表示他们从磁场获得了灵感：“我们需要测量的力的大小与一只蚊子的重量差不多，幸好磁场提供了一种非机械的方法，来向这些物体施加力。”
研究者3D打印了两个谷物圈大小的碟片，并给其中一个加了块非常小的磁铁。通过在周围施加磁场，就可以测量将两个碟片分开所需要的力。
I. Ho and D. M. Harris/ Brown University
