【第十四届原创】对“小船被水推着走”趣味实验的理论解释和拓展联想

对“小船被水推着走”趣味实验的理论解释和拓展联想

先进材料与绿色化学 化学学院 2021020770 林一涵

摘要：通过“小船被水推着走”（即在浮于水表面静止的纸船尾部滴加洗洁精，使得纸船向前游动）的趣味实验，探究水的表面张力的改变对小船的影响，运用所学知识理论解释此现象，并以此原理拓展到三维世界的空间曲率，联想到《三体》中所提到的曲率驱动引擎。

关键词：趣味实验；表面张力；曲率驱动；《三体》

一．趣味实验

实验准备：脸盆、水桶等可以储存一定量水并且还有充足空间可供小船移动的容器；纸船、木船等可以浮于水面的物体；洗洁精、洗手液、肥皂水等表面活性剂

实验步骤：将纸船、木船等可以浮于水面的物体静置于装有适量水的容器中，使其静置于水面上。滴加少量洗洁精（或洗手液、肥皂水等表面活性剂）于物体一侧接触水面处。

实验现象：可以观察到物体向着与滴加洗洁精（或洗手液、肥皂水等表面活性剂）相反的另一侧运动。

二．理论解释

首先我们先来讨论水的表面张力的产生。对于表面张力的微观解释，通常假定“斥应力各向同性”，这实际就是说每个分子受到各个方向邻接分子的斥力相同。我们先分析液体表面层中单个分子受力的情况，并且假定分子是分层排列的。在完全忽略液体自由表面上的气体和蒸汽时，表面层中最上层一个分子受到下面分子的合引力，应当恰好等于下面邻接分子对它的合斥力，达成静态平衡。第二层的分子从上侧和下倒都受到其余分子的合引力，但在分子力作用范围内，上侧分子数少于下侧，故向上的引力小于向下的引力。根据作用力与反作用力关系，第二层的分子从上侧受到的斥力，平均说来应当等于第一层的分子从下侧受到的斥力。第二层的分子从下侧受到的斥力应当大于它从上侧受到的斥力。两者的差值等于两侧合引力的差值，这样才能够达成静态平衡。这些讨论也适用于表面层中其他各层的分子由此可见，表面层中邻接分子间沿法向的斥力，愈往下愈大，这样就形成了液体中巨大的内压力。[]通俗的来说，表面层的分子没有上面分子的合引力与其下面邻接分子对它的合斥力达成静态平衡，使得表面分子总体受到向下的引力，这就是水表面张力的产生原理。

接着让我们来解释一下表面活性剂。表面活性剂一般为具有亲水与疏水基团的有机两性分子，可溶于有机溶液和水溶液。亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，也可是羟基、酰胺基、醚键等;而憎水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。表面活性剂通过在气液两相界面吸附降低水的表面张力，也可以通过吸附在液体界面间来降低油水界面张力。[]总的来说，凡是溶于水能够显著降低水的表面张力的物质称为表面活性剂。别看解释的这么高深，其实在生活中，许多日常用品也是表面活性剂，除了我上面说的洗洁精，其实还有洗手液、消毒液、洁厕灵、洗涤剂、洗发水等等。

说完了水表面张力的产生原理和表面活性剂，就能解释我们所做的这个趣味实验了。当表面活性剂接触物体一侧的水面时，表面活性剂降低了物体那一侧的水表面张力，而物体其他侧的水表面张力没有改变，导致物体受力不均，进而导致物体的运动。可以这么形象的来解释，假设物体放在平地，有四个小人分布在物体的前后左右用相同的力拉着物体，这个力也就是表面张力的形象代表，但表面活性剂的加入，使得其中一个方向的小人力量减少，导致了物体朝着另一方向移动。也就是说，滴加表面活性剂的那一侧水没有足够的拉力去抗衡另一方向的水的拉力，导致物体被水拉着走。

三．拓展联想

这个实验可以看作是在二维世界，也就是在水面上发生的现象，但如果是在三维世界呢。在三维世界中，爱因斯坦的相对论已经证实，三维空间具有曲率，具体是在引力场低的三维空间的曲率低，引力场高的三维空间的曲率高。引力场是一种全域性的时空性质，其场强度和能量物质分布及物质运动速度成正比关系，也就是说，物体的能量物质分布越密集，物体速度越快，其引力场越强。将引力场类比为水的表面张力，如果物体前方后方的引力场不同的话，就会使空间“推动”物体移动，而物体本身相对于所在空间是静止，这就成功绕过相对论中对物质速度的限制，即光速。

这里就引申到一种可能的超光速原理，就是运用曲率驱动引擎，将物体前方的空间引力场增强，空间膨胀，将物体后方的空间引力场减弱，空间收缩，使得空间“推动”物体移动，而空间的膨胀收缩速度是可以超过光速的，这就意味着，当前方空间膨胀到极致，后方空间收缩到极致时，空间带着物体进行超光速移动，而物体本身相对于所在空间其实是静止的，这也和《星球大战》电影中的场景一样，飞船从超光速状态脱离后，是没有速度的，静止在星球前，因为是飞船本身并没有在移动，而是飞船所在的空间在移动。

在现实中，想要造出这种曲率驱动引擎是非常困难的，因为改变空间引力场，需要大量的暗能量，但以目前的技术，造出的暗物质只能以克来计算，所以从0到1才是最难的，而不是从1到100。在《三体》中，程心在逃离太阳系被二向箔二维化时所乘坐的曲率飞船就是这个原理，而此时大家应该也能理解，当维德成功用曲率引擎将一根头发丝移动几厘米时刘慈欣所描述的狂欢。

最后，愿我们都能等到头发丝被空间带动的那天。

“给岁月以文明,而不是给文明以岁月。”