葡萄干+汽水=Nature论文？创新发现或许就藏在你家厨房！

“生活中不缺少美，而是缺少发现美的眼睛。”同样，生活中不缺少科学，而是缺少在简单现象中发现科学的眼睛。

你是否看见过碳酸饮料里的泡泡？你是否曾无意间丢过什么东西到碳酸饮料里，且发现泡泡会附着在这些物体上？但遗憾的是，我们并没有多想。

被气泡包裹着的葡萄干 图片来源：Saverio E. Spagnolie

美国威斯康星大学麦迪逊分校的Saverio E. Spagnolie教授就不一样，当他宅家陪女儿玩耍时，在自家厨房里做了一个小实验。他们将葡萄干投入碳酸饮料中，发现葡萄干全身会快速裹满气泡。在此后长达数分钟，甚至一个小时的时间里，葡萄干神奇地在饮料中旋转、跳跃，翩跹起舞。女儿和爸爸一起盯着起起伏伏的葡萄干看了许久后逐渐失去了兴趣，Spagnolie却被勾起了探索欲望。

葡萄干在苏打水中翩翩起舞背后隐藏着怎样的科学秘密？为了揭开这一现象的神秘面纱，Spagnolie“薅”来几位学生和自己一起做了一系列实验，并在计算机中完成了数值模拟，构建了理论模型，以描述葡萄干的运动行为。最终，他们撰写了一篇研究论文，于5月9日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。他们关于葡萄干“跳舞”的视频短短两天获得了超过50万的浏览量。

翻滚的葡萄干旋转跳跃的舞者

做这项研究有什么意义吗？

对很多人来说，葡萄干在碳酸饮料中跳舞的现象虽然有趣，但是他们并不能理解探究背后的意义，亦如当初牛顿去研究苹果为什么会掉在地上面临的一系列质疑一样。

作为一名数学研究学者， Spagnolie教授一直以来都对粘性流体中的复杂动力学过程、微生物运动、生物力学等方向很感兴趣，也非常乐于开发新颖的数值方法来钻研这些问题。他带领团队将所有这些实验、数值模拟和理论工作整合起来，解码了一个又一个科学问题。

葡萄干为什么会跳舞？通俗易懂地讲，当葡萄干进入碳酸饮料的那一刻，汽水里的气泡开始争先恐后地附着在葡萄干的表面，像一群顽皮的小精灵，给葡萄干穿上了一件充满气的救生衣。

随着气泡越聚越多，葡萄干的浮力也越来越大，直到它被这股力量轻轻托起，缓缓向水面升去。然而当葡萄干一碰到水面，那些气泡就会立刻破裂。由于气泡破裂造成的不对称浮力，葡萄干开始在水中转起圈来，就像是在跳一支优雅的华尔兹。随着气泡一个个破裂，葡萄干的舞步也逐渐变得沉重，直到最后，浮力不足以支撑它继续舞蹈，它便又沉回水底，等待下一轮的升腾。这个过程，就像是一个周期性的舞蹈，不断地重复上演。

你可能不知道，汽水里的气泡其实是在和水的表面张力进行一场拉锯战。表面张力想要把水的表面拉平，减少表面积，而气泡却总是想要扩大领地。但在葡萄干那些粗糙的小山丘上，气泡找到了庇护所，它们在这里暂时安全，不受表面张力的驱逐。从某种程度上讲，葡萄干其实是非常好的舞者。

如果是刚开罐、气泡丰富的汽水，葡萄干会跳上一段充满活力的“探戈”，大约20分钟后，它的舞步会渐渐放慢，转变为更加优雅的“华尔兹”，整个过程可能会持续一个小时。

为解开碳酸饮料中物体浮动的奥秘，Spagnolie教授和他的团队做了很多努力，他们通过实验和电脑模拟，建立了一个数学模型来预测物体在液体中的浮动和运动。为了更细致地观察，他们用3D打印了一个半径为1厘米的聚乳酸（PLA）球，并将它与数字秤相连，用它来模拟和理解物体在液体中的行为。通过数学模型，他们发现了影响物体浮动的关键因素，比如物体的表面积与体积的比例，这比流体阻力更为重要。

测量3D打印“葡萄干”受力情况的过程 图片来源：Saverio E. Spagnolie

从厨房到火山喷发每一个小发现都应该被尊重

科学并非遥不可及，它就在我们的厨房里，在我们的日常生活中。每一颗跳舞的葡萄干，都是科学探索的火花，每一个小发现都理应被尊重。看上去是非常简单、易于理解的现象，背后折射的科学原理或许就是人类进一步理解自然、与自然和谐相处的基石。

例如，Spagnolie教授在葡萄干的舞蹈中探寻的科学原理，同样适用于解释自然界中的岩浆喷发等现象。

当火山内部的岩浆逐渐上升，接近地表时，它所承受的压力开始迅速减小。就像你打开可乐瓶盖一样，压力的释放使得岩浆中的溶解气体——主要是水蒸气和二氧化碳——迅速膨胀，冲向火山口。这些气体在岩浆中形成巨大的气泡，随着气泡的不断增大，最终导致火山的猛烈喷发。

虽然火山喷发的规模和力量远远超出了我们手中的可乐喷发，但两者背后的物理过程却有着异曲同工之妙。在火山喷发中，岩浆中的固体颗粒物，虽然不会像苏打水中的葡萄干那样随气泡起舞，但它们的存在和运动同样对喷发的过程和特性产生着重要影响。这些颗粒物在岩浆中分布不均，它们的密度、大小和形状各异，当岩浆上升和压力变化时，这些颗粒物的运动和相互作用可能会影响气泡的形成和释放，进而影响火山喷发的强度和模式。例如，较大的颗粒物可能会阻碍气泡的上升，导致压力在岩浆内部积聚，从而引发更为剧烈的喷发。

从可乐的气泡到火山的喷发，自然界的每一次“喷发”都是对地球力量的一次展示。通过观察和研究这些普通的自然现象，我们或许能迎来不同寻常的收获。现在，不妨将目光转向自己的厨房——这个充满可能性的实验室。想一想，还有哪些简单、安全、易行、成本低廉的实验，正等待着我们去探索和发现？或许，下一个能够登上著名学术期刊的创新发现，就藏在你家的油盐酱醋之中。