象头神与毛细现象的奇迹

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Mark Oatney Getty Images
利维坦按：
关于毛细现象其实有个有趣的设想——我们都知道物体位置的升高意味着重力势能的增加，既然水可以通过毛细效应 " 流向高处 "，那是否意味着这不符合重力学第二定律？凭借毛细效应，有没有可能创造出永动机？
永动机的确是个永动的话题，很可惜毛细现象并不能打破 " 无法制造永动机 " 这一僵局。乍看之下水的势能确实增多了，但如果我们要对这样的势能加以利用，则必须额外做工（比如拧一下毛巾）——有点像用磁铁吸铁钉。
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我的爷爷亚（Iyah）给我讲了一些故事。
他告诉我当象头神甘尼撒（Ganesha，印度教中的智慧之神，主神湿婆与雪山神女的儿子）被要求环绕宇宙三周时，它是如何绕着自己的父母走了三圈的；他告诉我罗摩（Rama，阿逾陀国的王子，为印度教所信奉的重要神祇之一）是怎样保护所有恐慌的孩子，他的呼吸声何以与笛声共鸣，谱写出一首令人震颤的至美乐曲。还有一些萨拉斯沃蒂（Saraswati，又称 " 辩才天女 "，印度教的一个重要女神）的事情——关于她如何成为知识与教育的女神，教育如何成为世间最为神圣的礼物——他为这位女神捐献了一座庙宇。
他告诉我，在 2004 年印度洋海啸的灾难中，冲上金奈海岸的海水比印度教神庙还高出 50 英尺。尽管夹带着大量碎片的惊涛骇浪从四面八方向陆地袭来，露天的花岗岩神龛却安然无恙。
" 过来，我想和你说说话，" 一个晚上，亚以这样的方式开始了对话。他的头发泛灰，皮肤就像他那皱皱巴巴的手帕一样布满了皱纹。他偶尔擦拭一下自己湿润而已失明的右眼。我跟着他，来到了他位于皇后区的住处的沙发上坐下，他身体微微陷入靠垫中。沙发套已经褪色而显得破旧不堪，但是上面的图案依然鲜艳明快——是岁月将五颜六色的圆圈藏起来了。
亚告诉我，1995 年 9 月 21 日，甘尼撒向人类发出了信号，借（信徒的）一个动作震惊了全世界数以百万的印度教徒，从此闻名。当大多数信徒只是在甘尼撒神龛底部留下一盆盆牛奶时，一位来自新德里的男子却在大清早试着喂神像喝牛奶。这位奉献者很惊讶地发现，他向甘尼撒嘴唇倾斜的金属勺中的液体消失了。他叫来了附近的牧师，自己再次试着给神像喂奶，而牧师们证实了他看到的一切。
随着消息的传播，印度国内外的庙宇很快吸引了成千上万的人来供奉 " 开端之神 "（the God of New Beginnings），也就是 " 障碍清除者 "（the Remover of Obstacles），看着它喝牛奶。（译者注：" 开端之神 " 和 " 障碍清除者 " 都是指象鼻神甘尼撒。）那天，新德里的牛奶销量猛增 30%，某些商店的销量甚至超过了 25000 品脱。全国各地大量民众涌入寺庙做祈祷，尤以新德里为甚，人潮甚至导致交通瘫痪。人们带着铃铛、香柱、铁罐子和黄色金盏花穿成的花环来到当地的寺庙，跪在甘尼撒的神龛前，感谢它的指引。


AstroTalk/Ekhart Yoga
当然，神仙显灵的观点遭到了科学家的怀疑。印度科技部的研究人员来到神庙以验证另外一种假设：牛奶因毛细现象而消失——液体趋向于向狭窄的空隙流动，这一过程即使没有重力等外力的帮助也能实现，甚至能克服外力作用而发生。科学家们来到最先报道 " 奇迹 " 的寺庙，用以食用色素染色的牛奶进行了一项实验。
随着勺子中的液体逐渐减少消失，被染色的牛奶扩散进入了神像，以相同颜色覆盖在其表面。科学家解释说，神像一直是这样吸收牛奶的。但是，由于薄薄的一层牛奶几乎没有颜色，因此之前无法观察到液体扩散的过程。1995 年 9 月 22《纽约时报》的一则摘要新闻在副标题中调侃道：" 教徒在喧闹，科学家在嗤笑（Some Hindus Flock But Scientists Mock）。"


Lock Haven University
然而，除了《纽约时报》副标题和谐的音韵暗指的那些容易上当受骗的人们，毛细现象也绝非一条被广泛理解的科学原则。它建立在附着力、凝聚力和表面张力的基础之上，这是多种液体均存在的特性。凝聚力体现了水分子间相互吸引的特性。例如，水滴呈现球形是由于每个水分子都被其它的水分子包围。附着力和凝聚力结合起来能够解释水的 " 粘滞性 "，暴雨后黏附在窗户上的水珠也体现了这一点。
最后，表面张力是存在于液体表面的特性，由于分子的凝聚力，表面张力使得液体能够对抗外力。例如，当你往茶杯或烧杯中注满水时，观察水边缘表面可见其轻微下陷，这一下陷即由表面张力造成，又被称为 " 弯月面 "。水分子之间的凝聚力和水分子与玻璃间的附着力导致水面 " 线 " 有一定弧度。


Resumes
在液体分子与容器间的附着力大于液体分子之间的凝聚力时，毛细现象就发生了；而毛细现象能使水上升到怎样的高度，取决于表面张力和重力。液体上行可以仅依赖于附着力和凝聚力与表面张力的比值。越细的管子内部的相对表面积越大，相对于直径较大的管子而言，其中发生毛细现象的液体也能升得越高。


USGS
在甘尼撒的 " 奇迹 " 中，牛奶的表面张力在牛奶因重力作用从神像上滴落之前就将其拉升，并使其离开勺子。由于寺庙中的神像大多由陶瓷或石头等多孔材料制成，并有花朵、茎干和枝条的装饰，因而存在许多能够通过毛细现象 " 吸入 " 牛奶的细孔。
尽管毛细现象在自然界中无处不在，但直到 15 世纪末才被达芬奇正式发现确认——他在几位关注这一现象的知名科学家中抢占了先机。一个多世纪后的 1660 年，爱尔兰化学家罗伯特 · 博伊尔（Robert Boyle）进行了研究毛细现象的实验。然而，直到 19 世纪初，才有两位研究人员给出了定量的解释。
1805 年，托马斯 · 杨（Thomas Young）和皮埃尔 · 西蒙 - 拉普拉斯（Pierre Simon-Laplace）得出了解释毛细现象的杨氏 - 拉普拉斯公式。1830 年，卡尔 · 弗里德里希 · 高斯（Carl Friedrich Gauss）修改了这一数学表达。（从技术上说，他考虑到了与 " 液 - 固分界 " 相关的 " 条件边际 "。）1900 年，爱因斯坦向世界上最古老的物理学期刊之一《物理年鉴》（Annalen der Physik）提交了一篇名为《毛细现象观察结果》（Consequences of the observations of capillarity phenomena）的论文。这是爱因斯坦发表的第一篇论文。
值得一提的是，除了研究毛细现象知名科学家的历史，这种现象随时随地都在发生。当你没有想起这种现象时，它显得令人敬畏。当然，甘尼撒表面的反常 " 显灵 " 事件也只是毛细现象在科学实验室之外发生的一个例子。
另一个例子是流泪。正是毛细现象使我们眼睛中的泪道释放泪液，这一过程能够清洁眼睛，并除净眼部导管周围的所有灰尘和颗粒。毛细现象也帮助实现植物自给自足过程中非常重要的一步。当你播下的种子发芽——根系抓住土壤时——你就要向花盆底部或花园的地面上浇水来养护幼苗。植物的根系通过毛细现象的原理吸收土壤中的养分。树木依靠毛细现象吸收水分，向周围环境供氧，不断生枝拔高、开花结果。
尽管仍处于理论阶段，但科学家们已经在设想利用毛细现象创造可再生能源。这个想法是，通过毛细现象，水可以向上爬升并在到达顶部时蒸发、冷凝并流回底部，推动涡轮旋转以产生能源。毛细现象将会创造电能。


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1995 年 9 月 21 日，甘尼撒真的喝牛奶了吗？我们有很多证据可以得出否定答案，毛细现象又一次置身其中。但这是否意味着在我们（有意识地）体会这种现象时，敬畏之心变得无处安放？也许，对毛细现象背后科学、历史的理解能够激发人们对司空见惯之事的好奇心——想一想毛细现象如何维持一个苹果园或帮助恢复一块历经山火余威的土地。正如《纽约时报》的那条摘要所言，" 科学 " 与 " 神迹 " 本不必水火不容。
亚曾经生活在这样的永恒神迹之中，他说：" 神不仅无处不在，还活在众人与万物的身上。" 亚相信神存在于所有人身上，并使人际接触变得神圣。他说：" 善待他人就像在庙里祈祷。" 他相信神已经融入自然界的每个角落——包括毛细现象背后建筑层面的 " 奇迹 " 中。对他而言，信仰和无与伦比的科学现象之间并无冲突。毛细现象拥有最质朴的吸引力，它对我们身体和环境的正常运作至关重要，这其中当然有值得啧啧称奇的东西，甚至有些值得我们为之 " 喧闹 " 的东西。
文 /Serena Alagappan
译 /Carlyle
校对 / 火龙果
原文 /blogs.scientificamerican.com/observations/the-miracle-of-capillary-action/
本文基于创作共同协议（BY-NC），由 Carlyle 在利维坦发布
文章仅为作者观点，未必代表利维坦立场
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