走进科学
物理学奇观之反向浮力的倒悬之海
很多人小时候都看过一个用来验证大气压的科学实验：用一张纸盖住装满水的杯子，然后用一只手掌压住纸，另一只手抓住杯子，缓缓把杯子倒过来。最后拿开压住纸张的手，因为气压的关系，杯中的水不会落下。
但是，如果拿掉那张纸，气压似乎就无法支撑住水——水会倾泻而下。
这一现象和所谓的瑞利-泰勒不稳定性相关。
当我们把液体层放置在密度较小的介质(如空气)上时，如果液体质量超过一定大小，就会向下塌陷，因为作用在下部介质界面上的重力会触发去稳定作用，即瑞利-泰勒不稳定性。
瑞利-泰勒不稳定性显然是我们不希望看到的东西。在工业上，如果能够直接用空气支撑住液体，无疑会产生许价值非凡的应用；在用水封住石油的时候，我们也期望水和石油是泾渭分明的，不要发生崩溃式渗透。
为了避免瑞利-泰勒不稳定性而开发的许多方法中，垂直振动被证明是有效的，因此展开了非常详细的研究。
现在，科学家发现了惊人的现象——反向浮力的倒悬之海。
借助垂直振动，科学家让密闭玻璃内的粘稠液体被空气支撑——也就是悬浮起来。这本身倒不惊人。
问题是，科学家最开始在液体上放了一个空心金属小球。等液体层被空气托起之后，小球浮在了液体层的下表面！
我们平日所见的浮力现象，都是物体在液体层的上表面，借助水的压力平衡重力。现在，用空气托起液体层之后，各种力的相互作用，导致物体浮在了液体层的下表面。
更有甚者，借助磁铁一类的手段，如果我们水平拉扯小球，运动效果就和物体浮在液体上表面时一样。当我们向上压一下小球的时候，因为反向浮(压)力的作用，小球会自动回到原位——类比：我们用手压一下浮在水池里的塑料玩具，挪开手，玩具就会自动浮上来。
这一现象的本质原理并不复杂，就是压力和重力之间的平衡。但是实际计算起来却非常麻烦。实际上，这才是科学家在这一课题里最关心的突破。
上下震荡的强度和频率也至关重要。随着振动的减少，咒语失效，小球和悬浮的液体层落回容器底。
就像前面所说，这一精巧发现并非是为魔术表演提供原理，在工业上我们用流体推动气体或其他材料的运输手段，就是重要的潜在应用方向。
该研究发表在《自然》上。
本文译自 sciencealert，由 majer 编辑发布。