悬浮可能看起来像是科幻小说中的超能力。但与奇异博士不同，科学家们不需要咒语就能在空中悬浮和操控物体。在上周发表于《Physical Review X》的一项研究中，芝加哥大学和巴斯大学的物理学家们描述了一种利用声波力量使塑料粒子团块漂浮、旋转和分裂的方法。他们的发现可能有助于我们理解其他快速旋转实体——包括黑洞、原子核和小行星——的物理学。
“声悬浮是一种非常酷的操控物体的方式，因为它实际上使用的是非常类似于扬声器的东西，”该研究的主要作者、芝加哥大学实验软物质物理学家 Melody Lim 说。
Lim 和她的同事们希望改进这种悬浮技术，以便在不接触的情况下移动和操控物体。这有着无数的潜在应用：一些物理学家甚至正在研究声悬浮作为用于组织工程重新排列细胞的一种手段。
Lim 和她的团队将直径小于一毫米的微小圆形塑料粒子放入一个透明盒子中。为了产生足够的力使它们漂浮和移动，他们在盒子中放置了一个能够产生驻波的扬声器——一种静止的声波。Lim 将其比作振动的琴弦的波形。
这些声波使粒子弹跳并聚集在一起悬浮，形成一层圆形的微小粒子。在这种悬浮状态下，声波在粒子之间产生微弱的吸引力或凝聚力——“你可以把它想象成一种粘稠的胶水，将所有东西粘合在一起，”Lim 说。当 Lim 和团队调整扬声器发出的声音频率时，圆形团块会像摇晃的木筏一样在汹涌的海洋上晃动，然后开始旋转。
想象一下乘坐一个旋转的旋转木马，它越转越快。转得越快，你感受到的离心力就越大——这使得你悬挂的秋千开始向外扇动，而不是直直地垂下。Lim 解释说，这基本上就是漂浮粒子盘所发生的情况。但在这个例子中，没有任何绳子将漂浮物束缚在一起。
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随着声波的进一步操控，“它会达到一个点，旋转速度达到可能的最快，”Lim 说。“那么那个推力就比将粒子粘合在一起的粘稠胶水更强，所以整个东西的形状就必须改变。”
在这种高速下，离心力会将粒子团块撕裂，并将其拉伸成更长、更细的团块，甚至分裂成更小的碎片。有趣的是，这些碎片最终会重新粘合在一起，形成一个单一的圆形圆盘。
Lim 说：“这项实验真正探究的是，[旋转圆盘]对外部事物的排斥程度，以及对内部事物的接受程度。”她表示，与水滴类似，粒子更倾向于收缩成紧密的圆形，以减小表面积。“它真的不喜欢细长的形状，因为那样会有很多粒子都在外面，它会非常不满意。”
Lim 说，小行星可能经历类似的过程。位于小行星带的小行星是由于引力结合在一起的岩石的聚集体，并被太阳加热。“一种假说是，太阳照射在小行星的一侧，这意味着那一侧更热，”Lim 说。热量导致面向太阳的岩石喷出气体。“就像你刚刚打开了一个只连接在你小行星一侧的小型气体推进器，”她说，这会逐渐使小行星旋转。
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与 Lim 实验中的微小粒子类似，旋转会随着时间的推移越来越快，这可能导致结构改变形状。但小行星巨大的尺寸和来自遥远太阳的缓慢加热使得这种现象难以研究。
Lim 说：“对小行星进行这一效应的测量表明，使这个物体旋转速度加倍所需的时间约为 10 万年。”她表示，旋转力需要很长时间才能明显改变小行星的形状。
Lim 说，该研究小组的小型声悬浮系统可以模拟这些天体的物理学，以及黑洞和原子核等其他旋转物体的物理学，以便更好地阐明那些否则难以研究的过程。除了实际应用，Lim 说，她还被这种现象的美丽所着迷。
“我开始意识到，当许多悬浮的粒子聚集在一起时，它们会形成非常有趣的视觉结构，”她说。“在声悬浮装置中，它们会做所有这些迷人的事情，比如旋转、分裂和合并成更大的液滴。这真的很美观。”
