这些悬浮的珠子可以让物理学家了解旋转的天体

悬浮术看起来像是科幻小说中的超能力。但与奇异博士不同，科学家不需要使用咒语来悬浮和操纵半空中的物体。在上周发表在《物理评论 X》上的一项研究中，芝加哥大学和巴斯大学的物理学家描述了一种利用声音的力量使塑料颗粒团块漂浮、旋转和分裂的方法。他们的发现可以帮助我们了解其他快速旋转物体的物理原理——包括黑洞、原子核和小行星。

“声悬浮是一种非常酷的操纵物体的方法，因为它实际上使用了一种非常类似扬声器的东西，”该研究的主要作者、芝加哥大学实验软物质物理学家梅洛迪·林 (Melody Lim) 说。

Lim 和她的同事希望改进这种悬浮技术，以便他们能够用它来移动和操纵物体而无需接触它们。这有无数的潜在应用：一些物理学家甚至正在研究声悬浮技术，作为重组细胞以用于组织工程的手段。

Lim 和她的团队将微小的圆形塑料颗粒（每个直径不到一毫米）放入一个透明盒子中。为了产生足够的力来漂浮和移动它们，他们在盒子里放了一个可以产生驻波（一种静止的声波）的扬声器。Lim 把它比作小提琴弦振动的波。

声波使珠子在悬浮状态下弹跳并聚集在一起，形成一个圆形的单层小颗粒。在这种悬浮结构中，声波在颗粒之间产生微弱的吸引力或凝聚力——“你可以把它想象成一种将所有东西粘在一起的粘性胶水，”林说。当林和团队调整扬声器发出的声音频率时，圆形团块会像岩石海洋上的木筏一样摇晃，然后开始旋转。

想象一下，当你坐在旋转木马上，它的速度越来越快。旋转得越快，你感受到的离心力就越大——这会让你悬挂的秋千开始向外展开，而不是垂直向下。Lim 解释说，这基本上就是漂浮的粒子盘所发生的情况。但在这种情况下，没有绳子把漂浮物拴在一起。

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随着声波被进一步操控，“它会达到以尽可能快的速度旋转的程度，”林说，“然后推动力比将粒子粘合在一起的胶水更强，因此整个物体必须改变形状。”

在如此高的速度下，离心力会将颗粒团块撕裂，并将其拉伸成更长、更细的团块，甚至会分裂成更小的块状。有趣的是，这些碎片最终会重新聚集成一个圆盘。

“这项实验真正要探索的是，[旋转圆盘] 有多讨厌外面有东西，有多讨厌里面有东西？” Lim 说。她说，与水滴类似，这些颗粒会将自己拉成紧凑的圆圈，以减少表面积。“它真的不喜欢长而伸展的形状，因为这样会有很多颗粒停留在外面，这让它很不高兴。”

林说，小行星也可能经历类似的过程。位于小行星带的小行星是由重力结合在一起并被太阳加热的岩石块。“一种假设是，太阳照射在小行星的一侧，这意味着那一侧更热，”林说。热量导致面向太阳的岩石喷出气体。“这就像你刚刚打开了一个只连接到小行星一侧的小型气体推进器，”她说，这会使小行星逐渐旋转。

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与林姆实验中的微小粒子类似，随着时间的推移，旋转速度越来越快，可能会导致结构变形。但由于小行星体积巨大，距离太阳较远，速度缓慢，因此很难研究这种现象。

“对小行星的这种影响的测量表明，要使它的旋转速度增加一倍，需要大约 10 万年的时间，”Lim 说。她说，旋转力需要很长时间才能明显改变小行星的形状。

Lim 表示，该研究小组的微型声悬浮系统可以模拟这些天体的物理特性，以及黑洞和原子核等其他旋转物体的物理特性，从而更好地揭示原本难以研究的过程。除了实际应用之外，Lim 表示，她还被这种现象的美丽所吸引。

“我开始意识到，当你把许多悬浮粒子放在一起时，它们会形成这些视觉上非常有趣的结构，”她说。“在声悬浮装置中，它们会做所有这些令人着迷的事情，比如旋转、分裂和合并以形成更大的液滴。这真的很美观。”