一股黏度達(dá)到水的20倍的硅油垂直落在水平面上。我們可以觀察到圓形的水躍。（圖片來源：Alexis Duchesne）

當(dāng)水流流入水槽，我們很容易觀察到，水流周圍會形成一個圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)——環(huán)形水躍。出人意料的是，500年來，這個看似簡單的現(xiàn)象從未得到一個完整的解釋。直到最近，科學(xué)家終于得以建立水躍現(xiàn)象的模型。更加令人驚訝的是，除了幫助理解其流體力學(xué)過程，環(huán)形水躍還能讓我們更好地認(rèn)識超新星爆發(fā)等天文學(xué)現(xiàn)象。

撰文 | 亞歷克西·杜歇納（Alexis Duchesne）

翻譯 | 戚譯引

你有沒有試過在洗漱完畢之后，讓水龍頭再開一會兒？這當(dāng)然不太環(huán)保，卻能讓你觀察到一個有趣的現(xiàn)象：水流抵達(dá)水槽底部并擴(kuò)散開來，在碰撞點周圍形成一道薄薄的水膜。隨后由于這種徑向擴(kuò)散，加上水與水槽表面之間的摩擦，水膜的擴(kuò)散越來越慢。但出人意料的是，一種劇烈的轉(zhuǎn)變發(fā)生了：當(dāng)水膜很薄而且速度很大的時候，它的厚度將驟然增加500倍，速度也下降至1/500。水流的這種狀態(tài)轉(zhuǎn)變體現(xiàn)為一道“水墻”，即由液體構(gòu)成的環(huán)形。這就是環(huán)形水躍現(xiàn)象。

即使我們很熟悉這一現(xiàn)象的存在，水躍的出現(xiàn)仍然令人驚奇，因為它違背了從亞里士多德到牛頓的一代代物理學(xué)家和哲學(xué)家的認(rèn)知，而萊布尼茨甚至將這一認(rèn)知提煉成一條公理，即“自然界無跳躍”（Natura non facit saltus）。這一原則又叫連續(xù)性原理，它假設(shè)事物通常以循序漸進(jìn)的方式發(fā)展，十分符合直覺，而且往往是有價值的。但是在水槽里，我們看見的就是一個跳躍現(xiàn)象，而不是液面的連續(xù)抬升。

很長時間以來，這道水墻似乎沒有過多地困擾那些學(xué)者。直到16世紀(jì)，萊昂納多·達(dá)·芬奇（Le?onard de Vinci）才第一次對水躍進(jìn)行了描述。他在筆記中寫道：“圓形水管流出的水垂直落到一個平坦的表面上，會在撞擊點周圍形成一道圓形的波紋；在圓圈內(nèi)部，水的流動很快，在撞擊點周圍形成一道薄薄的水膜，然后一躍而起產(chǎn)生了浪，外部的水又試圖回到撞擊點?！?/p>

用現(xiàn)代的語言來說，達(dá)·芬奇所描述的水躍就像一道沖擊波。在物理學(xué)家看來，這一現(xiàn)象源于流體擴(kuò)散速度和重力波之間的競爭。重力波是在流體表面擴(kuò)散的波紋，重力和流體的高度決定了波長和擴(kuò)散速度。

在水躍的內(nèi)部區(qū)域（靠近水流處），重力波擴(kuò)散的速度小于流體擴(kuò)散的速度，因此被水流帶著向前傳播；而在外部區(qū)域，水的高度增加，流速減緩，重力波擴(kuò)散的速度大于流體的速度。受到外部擾動或反射，例如水流遇到水槽邊沿的時候，重力波的影響變得可以忽略不計。因此，水躍被視為這樣一個區(qū)域：從邊緣地帶（水槽邊或水膜的終點）釋放的重力波，即抬高流體的力量，再也無法回到峰值，因為重力波“遇到”了一股流速過高的流體，無法繼續(xù)傳播下去。

圖片展示了水槽里的環(huán)形水躍

在500年后的今天，我們能不能斷言水躍問題得到了解答？如今，仍然沒有一個得到一致認(rèn)可的模型，能夠基于系統(tǒng)參數(shù)（流量、流體性質(zhì)、液柱直徑等）預(yù)測一些基本性質(zhì)，例如水躍的半徑。但是在這段時期，科學(xué)家們?nèi)〉昧艘恍┲匾倪M(jìn)展。我們對這種現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)制和重要性有了更深刻的理解，水躍現(xiàn)象甚至成為了模擬其他一些現(xiàn)象的建模工具。
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巨浪：環(huán)形水躍的“大哥”

在達(dá)·芬奇之后的300多年間，學(xué)者們似乎對環(huán)形水躍現(xiàn)象的機(jī)制不太感興趣。我們沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的記載，直到19世紀(jì)，法國醫(yī)師、物理學(xué)家菲利克斯·薩瓦爾（Fe?lix Savart）才觀察并描繪了這一現(xiàn)象，但他沒有嘗試進(jìn)行深入的研究。學(xué)界對水躍重新產(chǎn)生興趣，要歸功于18世紀(jì)之后的大量關(guān)于巨浪的研究，這一現(xiàn)象算得上環(huán)形水躍的“大哥”。

這種類型的水躍現(xiàn)象廣泛出現(xiàn)在江河中，其特征是水流中掀起一股或高或低的浪。這種浪潮將水流分成兩個區(qū)域，一個是位于高處，水流湍急的區(qū)域，水的流速大于重力波傳播的速度；另一個是低處的水流平靜的區(qū)域，重力波傳播的速度大于水流的速度，因此更容易將水流抬升到高處。

巨浪指的是水流中發(fā)生的水躍，例如法國圣帕爾東地區(qū)附近多爾多涅河谷中的浪。

當(dāng)潮汐發(fā)生時，河口處水位的急劇變化就引發(fā)了巨浪。潮汐越是迅疾、強(qiáng)勁，浪也就越大。潮汐產(chǎn)生的重力波傳播到高處，遇到湍急的水流，產(chǎn)生了沖擊波。

通過改變地形和控制河流流量，我們可以調(diào)控巨浪的強(qiáng)度，甚至阻止其形成。如果說巨浪可以被視為移動的水躍，我們也能在自然界中觀察到靜態(tài)的水躍，例如瀑布落下，或是大壩泄洪的時候。

自從18世紀(jì)末起，工程師和物理學(xué)家對巨浪產(chǎn)生了興趣。意大利工程師喬治·比多內(nèi)（Giorgio Bidone）將水躍視為一種抬升灌溉用水的方式。

繼比多內(nèi)之后，法國水利學(xué)家讓-巴蒂斯特·貝朗日（Jean-Baptiste Be?langer）成了第一個對撞擊點進(jìn)行理論分析的人。1846年，貝朗日發(fā)表了一個方程。這個方程建立在流體流動過程中的動量守恒和水躍中不同部分的流量守恒之上。通過這種方式，他提出了第一個“沖擊條件”，調(diào)和了上游和下游的數(shù)學(xué)描述。在同一時期，法國水利學(xué)家亨利·達(dá)西（Henry Darcy）和亨利·巴贊（Henry Bazin）利用在水渠進(jìn)行的實驗，證實了沖擊理論。如今這一理論仍然是水躍建模的根基，無論水躍發(fā)生在河流還是水槽中。

英國物理學(xué)家瑞利男爵（Lord Rayleigh）首先將運河中的水躍現(xiàn)象和水槽中圓形的水躍聯(lián)系起來。1914年，他重復(fù)了貝朗日提出的沖擊條件，并將其應(yīng)用于圓形水躍。在這種情況下，沖擊條件再次得到了實驗驗證。但是在某些情況下，理論預(yù)測的水躍半徑卻比實際觀察到的大了數(shù)十倍。
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慣性流與層流

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，必須考慮水躍內(nèi)部的流體黏度，才能更準(zhǔn)確地描述流體的運動，計算沖擊半徑。摩擦力越大，流體的運動就越困難，也就是說黏度更大。當(dāng)我們分別在蜂蜜、油和水中攪動勺子，就能感受到這種差異。油的黏度大約是水的100倍，而蜂蜜的黏度大約是油的100倍。

在流體運動中，我們可以觀察到慣性流，這時流體黏度可忽略，機(jī)械能守恒；另一種情況是層流，這其中黏度的作用要大得多。在后一種情況下，系統(tǒng)機(jī)械能中有不可忽略的一部分轉(zhuǎn)化為熱能。回到流體中攪動勺子那個案例，當(dāng)你在蜂蜜中攪動勺子的時候，僅有勺子周圍的流體會流動，你注入系統(tǒng)的能量幾乎立即以熱量的形式耗散。這就是粘稠流體的流動。

而當(dāng)你在水中攪動勺子的時候，就得到了慣性流。最終整個流體都會運動起來，直到你投入的能量在邊界層處耗散。

對于在固定固體平面上（如水流周圍的水槽表面）的慣性流，與平面表面接觸的流體粒子速度為零。隨著與平面距離的增加，流體粒子的速度急速上升。在平面上方很薄的液面處，流體粒子的速度與流體其他部分的速度基本相同，這里被定義為邊界層。

邊界層的存在完善了水躍模型，因為在水流剛剛落下的地方，流體基本是慣性流動；隨后邊界層逐漸形成，最終隨著我們遠(yuǎn)離水流撞擊點，邊界層完全延伸開來，形成一個較薄的水層。而在邊界層下方，流體速度很小，黏度占據(jù)主導(dǎo)地位，這一區(qū)域中便會出現(xiàn)層流。而由于這層流體中的摩擦力較大，水流越來越緩慢，使得水層最終變得更厚，吞沒了邊界層。由于此時黏度可以忽略，邊界層消失，流體不斷變薄，因為它會保持速度不變并朝各個方向徑向展開。

因此，當(dāng)流體黏度較大的時候，我們會觀察到較小的水躍半徑。瑞利男爵的模型并未考慮這種效應(yīng)。1948年，日本物理學(xué)家谷一郎（Itiro Tani）首次對這種黏稠的邊界層進(jìn)行了建模。

接下來，英國物理學(xué)家埃里克·沃森（Eric Watson）在1964年提出了水躍研究中最完善的理論之一。這一模型的獨創(chuàng)性在于，它將內(nèi)部區(qū)域（水墻之前）劃分成許多個不同部分（水流撞擊部分、邊界層發(fā)展部分，以及邊界層全面入侵液面的區(qū)域）。他的方程很好地描述了水膜的厚度隨注入水流的距離變化的函數(shù)關(guān)系。

但這一理論仍然不完善，它僅僅描述了水躍內(nèi)部的情形，而沒有提供水躍外部的信息。為了計算半徑，我們必須將滿足“貝朗日條件”的沖擊和模型聯(lián)系起來，還要知道在緊鄰水躍發(fā)生處的液面高度。但是由于測量這一高度比直接測量水躍半徑更加困難，這個模型在預(yù)測方面的作用很小。
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尋找完善的模型

1993年，丹麥科技大學(xué)的托馬斯·玻爾（Tomas Bohr）和同事們終于對水躍外部區(qū)域進(jìn)行了建模。玻爾的父親和祖父都是諾貝爾物理學(xué)獎得主。玻爾等人借助“貝朗日條件”將水躍的內(nèi)部和外部區(qū)域聯(lián)系起來，用同一個方程（稱為“潤滑方程”）對這兩個區(qū)域進(jìn)行建模，完善地描述了問題。借助這些方程的一個數(shù)值解，他們得到了第一個理論定律，能夠根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)（流體的流量、黏度和密度等）預(yù)測水躍半徑。

因此，科學(xué)家花了超過500年，才發(fā)展出第一個令人滿意的水躍模型。這個進(jìn)展可以說是巨大的，盡管我們僅僅“解決”了流體垂直落到平面上然后自由流動這一簡單的情況。我們還無法研究流體傾斜流下，或流到像水槽那樣具有邊沿的平面上的情況。實際上，我們才剛剛開始理解這一現(xiàn)象，還未觸及問題的復(fù)雜之處……

尤其是，我們還沒有在物理學(xué)層面理解水墻為什么會產(chǎn)生。托馬斯·玻爾的流體力學(xué)模型使用描述內(nèi)部和外部區(qū)域特征的假設(shè)預(yù)測水躍的位置，證明在某個特定的半徑（即我們觀察到水躍的地方），這兩個區(qū)域的方程的數(shù)學(xué)解就不再是實數(shù)。換言之，模型預(yù)測內(nèi)部區(qū)域到外部區(qū)域之間的轉(zhuǎn)變必然發(fā)生，但是它完全沒有解釋轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。如果這兩個區(qū)域之間用一條緩和的斜坡連接，與模型也是兼容的。

圖片依次為流速較快且液面較薄的內(nèi)部區(qū)域、水躍、流速較慢且液面較高的外部區(qū)域。

模型在描述上的限制和解釋能力的缺失，已經(jīng)體現(xiàn)在文章開頭提到的波動力學(xué)方法對重力波向水流高處傳播的描述中：在這一情況下，我們假設(shè)波在水墻上傳播的過程中發(fā)生了狀態(tài)轉(zhuǎn)變，但這堵墻的形狀并不是固定的，尤其是高度。貝朗日條件描述了這種高度的改變，但它的作用僅限于描述，無法進(jìn)行預(yù)測。

一些科學(xué)家認(rèn)為，液體墻是因為邊界層分離而構(gòu)成的。還有人認(rèn)為，我們可以用不穩(wěn)定性為水墻建模：在內(nèi)部區(qū)域，超過了某個特定半徑之后，重力不再可忽略。這時水膜逐漸增厚，流體速度減緩，表面輕微向上傾斜。重力對這一表面施加了外部限制，約束了流動。流速繼續(xù)減緩，表面繼續(xù)向上延伸，重力的影響也在不斷增加，以此類推。結(jié)果就是在這種不穩(wěn)定機(jī)制的作用下，我們得到了一道幾乎豎直的坡，也就是水躍。

形態(tài)各異的水躍

2014年，我和位于巴黎的物質(zhì)與復(fù)雜系統(tǒng)實驗室的呂克·勒邦（Luc Lebon）和勞倫·利瑪（Laurent Limat）一同開展實驗，為水躍的理論解釋提供了重要線索。通過精確測量緊鄰水躍發(fā)生處的液面高度，我們證明了對所有的水躍，這一區(qū)域的弗勞德數(shù)（慣性和重力影響的比值）是恒定的。

對于這個普遍性質(zhì)，目前還不存在理論解釋，但它應(yīng)該和前面提過的重力不穩(wěn)定機(jī)制是相容的。這并不令人驚訝，因為水躍正發(fā)生在重力作用開始變得不可忽略的地方。弗勞德數(shù)描述重力和慣性的局域影響的比值，對于所有的系統(tǒng)，它在這個點上的數(shù)值完全相同，與系統(tǒng)性質(zhì)無關(guān)。并且，由于沖擊條件，我們會在水躍剛剛發(fā)生的地方得到一個“通用”的弗勞德數(shù)。
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表面張力的作用

此外，結(jié)合對水躍外部區(qū)域的精細(xì)建模，我們得以精確計算水躍的位置。最終，我們不需要對內(nèi)部區(qū)域的水流進(jìn)行任何假設(shè)，就得到了這個結(jié)果。多個理論物理學(xué)團(tuán)隊正在研究弗勞德數(shù)是否為恒定的，并嘗試在方程中重現(xiàn)這一實驗觀察結(jié)果。因此，我們可以期待在未來幾年中看到關(guān)于這個課題的重大突破。

如果說黏度發(fā)揮了重要作用，那么另一個在這個尺度上發(fā)揮重要作用的物理量——表面張力呢？在流體的表面，例如水和空氣之間的界面，表層水分子之間的結(jié)合力和內(nèi)部的情況不同，它傾向于最大程度地減小界面的面積。舉例來說，這解釋了雨滴為什么接近球形。

在大多數(shù)現(xiàn)有的水躍模型中，表面張力完全缺席。然而到了2018年，劍橋大學(xué)的拉杰什·巴加特（Rajesh Bhagat）和保爾·林登（Paul Linden）提出了一個新的模型，表明表面張力在水躍的形成過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這個結(jié)果看起來很好地調(diào)和了理論和實驗。但在2019年，我和玻爾的團(tuán)隊一同提出，他們的模型可能建立在一個不可靠的假設(shè)之上。表面張力究竟扮演了怎樣的角色？看起來我們離解決這個問題還很遙遠(yuǎn)。

最后這個轉(zhuǎn)折正體現(xiàn)了這樣一個事實：這場持久的激烈爭論，只為解答這個看起來如此平凡又簡單的問題。你洗碗的時候也可以看一看，你家水槽里的那個小圓圈到底有多大？
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從水槽到中子星

盡管這個現(xiàn)象并不起眼，它卻讓我們得以深入理解那些和水躍毫無關(guān)系，尺度也要大上許多的事物。在天體物理學(xué)領(lǐng)域，我們將水躍現(xiàn)象應(yīng)用到尺度要大上百萬倍的現(xiàn)象中。2012年，法國原子能和替代能源委員（CEA）薩克雷研究中心的提耶利·弗格利佐（Thierry Foglizzo）和同事們提出，可以借助對水躍現(xiàn)象的模擬，來研究超新星的動態(tài)。

超新星指恒星生命結(jié)束時內(nèi)核發(fā)生的爆炸。這一過程將形成中子星或黑洞，而星體外層被劇烈噴射到星際空間中。針對該天體物理現(xiàn)象的數(shù)值模擬證明，恒星爆炸過程會導(dǎo)致不對稱，這是由爆炸的氣體和在超新星爆發(fā)前的沖擊波之間的不平衡產(chǎn)生的。為了在實驗室尺度模擬這個現(xiàn)象，弗格利佐和團(tuán)隊提出了一個天才的設(shè)想——“反向環(huán)形水躍”。

在具備雙曲面表面的圓形水槽里，液體從邊沿注入，形成薄薄的一層，流向中間的排液孔。這時，水躍就形成了。朝著中央排液管流動的液體形成了一個受重力支配的區(qū)域。同時，雙曲線形狀模擬了恒星引力勢能的分布。水躍就如同恒星中的沖擊波，流動的液體對應(yīng)爆炸的氣體。盡管水躍一開始是對稱的，但它會產(chǎn)生不對稱性，最終使得自身整體朝一個方向轉(zhuǎn)動，而內(nèi)部區(qū)域則朝另一個方向轉(zhuǎn)動。這些研究工作證實了此前在數(shù)值模擬中觀察到的不穩(wěn)定性。

流體力學(xué)方程和引力定律之間存在強(qiáng)大的數(shù)學(xué)聯(lián)系。1981年，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的威廉·安魯（William Unruh）提出假設(shè)：流體力學(xué)系統(tǒng)可以模擬再現(xiàn)黑洞的某些特性，即我們所說的聲學(xué)黑洞。

更準(zhǔn)確地說，水躍或許可以作為“白洞”的模型，即時間箭頭相反的黑洞。實際上，正如沒有任何物質(zhì)能夠進(jìn)入白洞一樣，重力波也無法在水躍內(nèi)部區(qū)域傳播。一些研究者正在研究如何用水躍進(jìn)行這種模擬，一個重要目的是為了檢驗霍金輻射的形成。

水躍已經(jīng)成為研究那些幾乎無法觸及的現(xiàn)象（例如超新星和黑洞）的工具。但其他的應(yīng)用方向也正在研究之中，尤其是模擬混沌條件下的動態(tài)系統(tǒng)。對于一個誕生于簡單的水槽中的現(xiàn)象，這還真不錯！


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