撰文 七君

俗話說，水往低處流。可是12年前，有人發現了水可以逆流而上。

不信，大家看這裏——

紫色的顆粒沿着水流向上爬升

看到木有，水面的粉末隨着逆行的水流回到了上方的容器裏。可以，這很信條。

所以，這水是看了諾蘭新片了嗎？倒不是，這個現象是在2008年金融危機爆炸那年被一個叫做 S. Bianchini 的物理系少年發現的，距今已有12年。

阿根廷的傳統馬黛茶

當時，來自阿根廷的 Bianchini 正在泡阿根廷的傳統馬黛茶，馬黛茶是用巴拉圭冬青葉子製作的，茶葉是粉末狀的。當他倒水的時候，猛地發現茶葉竟然倒行逆施，自動飄到了茶壺裏。

倒水時，如果壺嘴和下方液麪距離很近，茶葉就會逆流而上，來到水壺裏。

Bianchini 的導師也沒見過這種操作，於是後來 Bianchini 同學用這個做了畢業論文，然後順利畢業了。

在論文中，他用馬黛茶葉還有粉筆末在實驗條件下重複了上述現象。Bianchini 認爲，這個現象並不是咱們在生活中常見的毛細現象導致的，而是由於馬拉高尼效應。

馬拉高尼效應咱們以前也講過，表面張力不同的液體之間形成水流。咱們平時看到的酒杯掛壁，還有風油精小船都是馬拉高尼效應導致的。

馬拉高尼效應還可以用來讓液滴自動解迷宮，超有趣的，回顧點這裏。

Bianchini 通過實驗發現，馬黛茶還有粉筆末可以減少下方液體的表面張力，因此上游的水錶面張力大，下游的水錶面張力小。而表面張力大的地方可以把表面張力小的地方的液體吸過去，形成馬拉高尼流，所以水纔可以倒流。

這個反直覺的物理現象說明，上游的水不一定比下游的乾淨，因爲下游可以反過來污染上游。因此後來這個現象就被取名爲逆流污染（upstream contamination）。

過了幾年，羅格斯大學的工程學教授 Troy Shinbrot 對這個現象產生了興趣，於是找了個學生和 Bianchini 用更復雜的實驗再次驗證了一番，並把結果發表在了2013年的 Proceedings of the Royal Society A上。

Shinbrot 他們用馬黛茶葉還有粉筆末發現，逆流污染現象確實存在，液體可以向上攀升1釐米的高度。哪怕上方滴水處寬度達到幾米，這個現象依舊存在，冷水和滾水同樣會出現逆流污染。

逆流污染

Shinbrot 他們也再次驗證了表面張力在逆流污染中的作用。經過測量，他們發現加了粉筆末以後，水的表面張力減小至原來的一半，加了茶葉以後減小至原來的1/3。

經過計算，加入粉筆末後，減少的表面張力可以給漂浮在水上的粉末提供20倍的重力加速度，推動它逆流而上。

逆流污染

那麼問題來了，如果這個現象真的是表面張力差導致的，那麼消除上游和下游的表面張力差，水是不是就無法倒流了呢？

他們也測試了一下。他們在上游的水中加入了表面活性劑苯扎氯銨，減少上游的表面張力。果然，這麼幹了之後水就不會倒流了。

實際上，2002年麻省理工學院（MIT）的應用數學教授 John W M Bush 和同事也發現，如果在下方水池裏加入表面活性劑，那麼下方的水能夠沿着瀑布倒流，逆行的高度最高可達到2釐米。

當然對於要做實驗的研究者還有製藥企業來說，這個現象還是很煩人的，這意味着用滴管的時候，下面的物質可能反過來污染滴管裏的液體。

你以爲馬拉高尼效應可以讓水流逆行已經很秀了麼？在1992年，科學家們還注意到馬拉高尼效應的另一個反常識的神奇技能。

咱們知道，水滴落到杯子裏，會和杯子裏的水融合在一起，這在物理學上叫做合併（coalesce）。

通過振動液麪，可以讓液滴長時間不合並。

那年，國際航天任務 Spacelab mission D2 的宇航員以及意大利那不勒斯大學的物理學家 Rodolfo Monti 在 Onset 實驗中觀察到讓兩個液滴不融合的方法，那就是製造巨大的溫差。

這個神奇的現象引起了不少物理學家的興趣，他們認爲，這就是馬拉高尼效應作怪。

原來，除了上面講到的表面張力差（表面張力梯度），溫差（溫度梯度）也可以促成馬拉高尼效應，因爲溫度越高，表面張力越小。

Monti 後來和同事們做了這樣一種裝置，上面的儀器懸掛着一滴液體，下面是同樣液體形成的水平液麪。

他們發現，如果溫差很大，那麼上面這滴液體死活不會和下面的液麪融合。

更有趣的是，只要維持這樣的溫差，哪怕強行把液滴按到下面的液麪以下，它也不願意融合，把自己活活扭成了氣球。

如果上方液滴和下方液麪溫差很大，那麼液滴就不會和下面的液體融合。圖片來源：（DOI）10.1016/B978-008044508-3/50002-5.

但是，如果兩個液體的溫度完全一致，它們在幾毫秒內就會融合。

那麼，馬拉高尼流是如何阻止液滴合併的呢？

這是因爲上下液體之間存在溫差，因此上面的液滴和下面的液麪中都存在馬拉高尼流。而這兩股對沖的馬拉高尼流攪動周圍氣體，使液體之間存在一層輕薄無感的氣體，正是這層氣體阻止了上下液體的合併。這個過程簡而言之就是“冷朝熱風”。

換成兩滴液滴也是一樣，兩滴溫差很大的硅油無法合併——

溫差很大的液滴無法融合。圖片來源：（DOI）10.1016/B978-008044508-3/50002-5.

這個現象在焊接和製造合金時有很大的應用，因爲在高溫下熔化的金屬也會遇到類似的問題。

懂了，高拉自來水來自馬拉高。

來源：把科學帶回家

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