迷人的液体
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橄榄油为波斯人送去光明

9世纪时,橄榄油是作为波斯油灯燃料的不二选择。在这一地区,橄榄树生长得十分茂盛,不仅耐干旱,还出产大量橄榄果,橄榄果被压榨后便可得到橄榄油。大约20颗橄榄果就可以榨出一汤勺的橄榄油,这足以供一盏油灯照明1个小时。如果一个家庭每晚需要照明5个小时,那么一天就要用掉100颗橄榄果,一年就要用掉3.6万颗橄榄果,这还只是供一盏灯。波斯人为了让他们的帝国出产足够多的油用于照明,就需要大量的土地和时间,因为橄榄树通常在种下的前20年里不会产果。波斯人还要保护他们的土地,以防被那些觊觎这一宝贵资源的人夺走,所以他们要管理城镇,而这就意味着需要更多的橄榄树,以便所有人都能烹饪和照明。为了供给一支军队,他们需要为之缴税,而在波斯,缴税就是向政府上缴一部分橄榄果。因此你会发现,橄榄油是波斯的社会与文化核心,所有中东文明都是如此,直到他们发现新能源和税收替代物。拉齐的实验证明,这种新能源就在他们的脚下,但它还要继续待上1000年。

与此同时,油灯也在进化。9世纪的油灯设计看起来很简单,却出人意料地精巧。如果这是一碗橄榄油呢?如果你想将它点燃,就会发现这十分困难。之所以不易,是因为橄榄油具有非常高的闪点。闪点,是指可燃液体与空气中的氧气自发反应并形成火焰的最低温度。橄榄油的闪点是315℃,所以使用橄榄油烹饪非常安全。如果你将它溅到了厨房里,它不会立即被点燃。而且,煎炸大多数食物时,你只需要将温度加热到200℃左右,这仍然比橄榄油的闪点低了100多摄氏度。因此,用橄榄油烹饪菜肴很轻松,不会出现油滴爆燃的情况。

拉齐时期,人们使用的古代油灯(复制品)

不过,被加热到315℃时,你的橄榄油锅会突然变成火焰,并发出大量的光。这个过程不仅异常危险,火焰也昙花一现,飞快地消耗掉所有燃料。你一定在想,是否还有比点燃橄榄油更好的照明方法,当然有。如果你将一根棉线浸入油中,只露出一截线头儿,然后将其点燃,棉线的顶端就会产生一抹明亮的火焰,这样就不需要点燃整个锅里的油了。生成火焰的不是棉线,而是从棉线中渗出的油。这个办法十分巧妙,但还能进一步改进。如果你想让它继续燃烧,火焰不会向下烧到油中,油反而会顺着棉线向上爬,只有在它到达顶部时才会被点燃。这可以让火焰燃烧数小时之久,实际上,只要碗里有油,火就不会灭。油能无视重力的存在而自由移动,这一过程叫作芯吸效应。看起来似乎有些不可思议,但这是液体的基本性质,因为它拥有一种叫作表面张力的特性。

液体具有流动特性,因为它的结构处于混沌的气态与“监狱般”的固态(对分子而言)之间,是一种过渡状态。在气体中,分子具有足够多的热能,可以互相挣脱并自主运动。这就使气体具有动态性,它们可以膨胀,直到填满所有可用的空间,但它们几乎没有结构。在固体中,原子和分子间的吸引力比它们拥有的热能更强,这使它们紧密地结合在一起。因此,固体具有很多结构,却几乎没有自主性。当你拿起一只碗的时候,碗上的所有原子都一起运动,形成一个整体。液体是两者的中间状态,原子具有的热能足以打破它们与相邻原子的一部分结合力,却又不足以打破与所有原子的联系而变为气体。因此,它们只能被困于液体中,却又能在其中四处移动。这便是液体的本质——一种物质形态,分子可以自由徜徉,与其他分子不断地建立或切断联系。

液体表面的分子所处的环境与液体内部的那些分子不同。它们并没有完全被其他分子包围,所受到的平均作用力要低于液体内部的分子。表面分子与内部分子受力不平衡,形成了一股张力,我把它称为“表面张力”。这股力非常小,却又大到足以抵抗施加在小型物体上的重力,这也是一些昆虫能在池塘水面上行走的原因。

水黾在水面上行走

仔细看一下水黾在水面上行走的过程,你会发现它的腿是被水抵开的。之所以会这样,是因为水和虫腿之间的表面张力产生了排斥力,并抵消了重力。而一些固液界面的作用力正好相反,形成的是分子间的引力,水和玻璃就是如此。观察玻璃杯中的水,你会发现水接触玻璃杯的边缘部分像是被拽了上去,我们称之为“弯月面”,这也是一种表面张力效应。