毛細作用的奇蹟

科學可以解釋這種現象——但這並不能阻止它創造出一種敬畏和驚奇感

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本文發表於《大眾科學》之前的部落格網路,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點


我的祖父伊亞會給我講故事。

他告訴我,當象頭神迦尼薩被要求繞宇宙三圈時,他繞著他的父母畫了三個圈。他告訴我羅摩如何保護所有恐懼的孩子,他的呼吸,在他攜帶的共鳴長笛中跳舞,產生了一首如此美妙的歌曲,它可以平息任何顫抖。伊亞告訴我關於薩拉斯瓦蒂,他為她建了一座寺廟的女神,她是如何成為知識和教育的女神,以及教育是如何成為世界上最神聖的禮物。

他告訴我,在2004年災難性的印度洋海嘯期間,海水衝破了欽奈海灘上印度教寺廟50英尺。儘管洶湧的海浪將大量碎片衝上岸,但露天花崗岩神殿仍然完好無損。


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“過來,我想和你談談,”伊亞在一個晚上開始說道。他的頭髮是灰色的,他的皮膚像他皺巴巴的手帕一樣佈滿了皺紋。他偶爾會擦拭他溼潤的,失明的右眼。我跟著他來到他在皇后區的家中的客廳沙發上,他的身體稍微陷入了墊子裡。沙發套已經褪色和磨損,但在破舊的布料碎片中,仍殘留著一個充滿活力的圖案的痕跡:被歲月掩蓋的彩色圓圈。

伊亞告訴我,1995年9月21日,迦尼薩向人類發出一個訊號,並透過一個讓全球數百萬印度教徒激動不已的姿態來展示自己。雖然大多數信徒在迦尼薩神殿周圍留下盆牛奶,但新德里的一個人在當天清晨試圖餵食神靈。這位信徒驚訝地看到他傾斜向迦尼薩嘴唇的金屬勺子裡的液體消失了。他叫醒了附近的牧師,牧師透過自己的試驗證實了該人的觀察結果。

隨著訊息的傳播,成千上萬的人很快在印度和國外的寺廟排隊,為這位新開端的上帝,又名障礙的消除者服務,並觀看他喝水。新德里的牛奶銷量當天猛增了30%以上。一家商店賣出了超過25,000品脫。許多人湧到全國各地的寺廟祈禱,尤其是在新德里,人群導致交通陷入停頓。人們帶著鈴鐺,香火,錫制容器和串著黃色萬壽菊的花環,參觀當地的寺廟,跪在迦尼薩的神殿前,感謝他的啟示。

當然,科學家們對天體干預的想法持懷疑態度。來自印度科技部的研究人員參觀了寺廟,以檢驗一個不同的假設:牛奶的消失是由於毛細作用引起的——液體在沒有外力(如重力)的幫助下,甚至在與外力相反的情況下流入狹窄空間的傾向。科學家們到達最初報告“奇蹟”發生的寺廟,用食用色素染色的牛奶進行實驗。

隨著勺子中液體水平的降低,有色的牛奶擴散到雕像中,使其塗上了相同的顏色。科學家解釋說,雕像一直以這種方式吸收牛奶。但是,由於薄薄的一層牛奶幾乎是無色的,因此液體的擴散以前是不可見的。《紐約時報》1995年9月22日的一篇頭條新聞用一種健康的諷刺語氣,在副標題中宣佈:“一些印度教徒蜂擁而至,但科學家們嘲笑。”

但是,儘管《泰晤士報》的副標題暗示了輕信,但毛細作用並不是一個被廣泛理解的科學原理。它基於粘附力、內聚力和表面張力原理,這些是許多液體共有的特性。內聚力描述了水分子相互吸引的趨勢。例如,一滴水似乎形成一個球形,因為每個水分子都被其他水分子包圍著。粘附力描述了水分子吸引其他物質的趨勢。粘附力和內聚力的結合解釋了水的“粘性”,這也可以在雨後粘在窗戶上的水滴中觀察到。

最後,表面張力是液體表面的一種特性,由於其分子的內聚性,它使其能夠抵抗外力。例如,當您用開水裝滿杯子或燒杯時,當您從側面看表面時,水會稍微下沉。這種下沉,也稱為彎液麵,是由水的表面張力引起的。水分子彼此之間的內聚力以及水分子與玻璃的粘附力導致水的表面“線”傾斜。

當對容器的粘附力強於液體分子之間的內聚力時,就會發生毛細作用。並且毛細作用將水帶到多高的高度由表面張力和重力控制。液體可以僅透過粘附力與內聚力的比率和表面張力而向上移動。管子越細,管子內部的相對錶面積就越大,從而使毛細作用能夠將液體拉到比直徑更大的管子更高的位置。在迦尼薩奇蹟的情況下,牛奶的表面張力將液體向上拉出勺子,然後重力導致牛奶滴到雕像的前面。由於寺廟中的神像通常由多孔材料(如陶瓷或石頭)製成,並用鮮花、莖和樹枝裝飾,因此有很多細小的開口可以透過毛細作用吸入牛奶。

儘管毛細作用在自然界中無處不在,但直到15世紀後期才由列奧納多·達·芬奇正式確定——他是幾位對這種現象著迷的著名科學家中的第一位。在1660年,一個多世紀之後,愛爾蘭化學家羅伯特·波義耳進行了實驗來研究它。然而,直到19世紀初,兩位研究人員才提出了量化解釋。托馬斯·楊和皮埃爾·西蒙-拉普拉斯在1805年推導了毛細作用的楊-拉普拉斯方程。1830年,卡爾·弗里德里希·高斯調整了數學表示式。(從技術上講,他考慮了與“液-固介面”相關的“條件邊界”。)1900年,阿爾伯特·愛因斯坦向世界上最古老的物理科學期刊之一《物理學年鑑》提交了一篇題為“毛細現象觀察的結果”的論文。這是愛因斯坦發表的第一篇論文。

除了探索毛細作用的著名研究人員的歷史之外,值得注意的是,這種現象一直都在發生,並且當您停下來思考時,它的表現令人敬畏。當然,迦尼薩表面上神聖的行為的異常情況只是實驗室之外毛細作用的一個例子。

另一個例子是當你的眼睛流淚時。毛細作用使我們眼睛中的淚腺能夠釋放淚液。此過程清潔眼睛並清除眼睛導管周圍的所有灰塵和顆粒。毛細作用還負責植物養活自己的重要一步。種下一顆種子,當種子發芽時——當根扎入土壤時——您可以透過將水倒入盆底或花園的地板來給芽餵食。植物的根透過毛細作用吸收土壤中的水分。樹木吸收水分,為我們的大氣提供氧氣,向天堂分枝,開花結果,都是因為毛細作用。

儘管他們目前只是在推測,但科學家們已經想象利用毛細作用來創造可再生能源。這個想法是,水可以透過毛細管向上攀爬,當到達頂部時蒸發,冷凝然後落回底部,在產生能量的過程中旋轉渦輪機。毛細作用實際上可以產生電力。

迦尼薩在1995年9月21日喝了牛奶嗎?我們有大量的科學證據表明情況並非如此;毛細作用再次發揮了作用。但這是否意味著敬畏在我們體驗這種現象時沒有地位?也許對毛細作用背後的科學和歷史的理解實際上可以給日常事物注入奇蹟——毛細作用在維持蘋果園或恢復遭受野火餘波的田野中的作用。正如《紐約時報》的頭條新聞所暗示的那樣,“科學”和“奇蹟”之間不必存在不可調和的對立。

伊亞過去常常生活在這種持續的奇蹟中:“上帝不僅無處不在,而且在每個人和每件事中,”他說。伊亞認為上帝存在於所有的人中,使人與人之間的互動變得神聖。“善待他人就像在他們的寺廟裡祈禱,”他會說。伊亞認為上帝滲透到自然界的每個部分,甚至是毛細作用背後的建築奇蹟。對他來說,信仰一方面和非凡的科學現象之間不會有衝突。毛細作用展示了最基本型別的吸引力,對於我們身體和環境的正常運轉至關重要。當然,這是值得驚歎的事——甚至可能是一些“蜂擁而至”的事。

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