肥皂泡从吹灭到破裂只存在几秒钟。但在漫长的历史长河中，曾有无数学者沉迷于这种稍纵即逝的魅力，试图解开泡沫带来的神话。

表面张力与长寿泡

英国实验物理学家布瓦设计了一个肥皂泡实验，可能是最广为接受的。

1889 年圣诞节期间，他举办了几次公开讲座，向年轻人展示肥皂泡的实验。其中一个实验是这样的：将一个圆环放入肥皂水中，形成一层肥皂膜；如果用线系在环上（其中一条线是双线），会形成三片膜，将膜刺入双线，双线包裹的区域自然会形成一个圆圈。

两条线画成一个圆圈，蕴含深奥的数学和物理| “肥皂泡及其形成力”

这个实验直观地展示了表面张力使液体表面积最小化的过程，这就是为什么空气肥皂泡变成球形的原因。

但表面张力对肥皂泡的意义远不止于此——它是肥皂泡的救命稻草。当肥皂泡的液膜受到扰动，局部变薄时，这部分区域的表面张力会变大，对周围液体产生更大的张力。结果，液体会自然地被拉向变薄的区域，完成自我修复。这种现象被称为马兰戈尼效应（Marangoni Effect）。

看似脆弱的肥皂泡无时无刻不在拼命自我修复，想想悲剧... | pixabay

James Dewar 是低温气体研究的先驱，以发明保存液态空气的杜瓦瓶而闻名。在他生命的最后20年里，他沉浸在肥皂泡表面张力的研究中。

他创造了一个惊人的记录。通过将气泡小心地存放在特殊瓶子中以减少与空气杂质的接触，杜瓦瓶将气泡保存了三年。

想必，瓶子里的气泡也感受到了Marragoni效应的威力。

牛顿无处不在

但肥皂泡最迷人的地方是它们不断变化的颜色。

为什么阳光下的气泡是彩色的？这个问题的答案来自牛顿。

牛顿一生辉煌，数学、力学、光学和天文学蓬勃发展。在他的光学成就中，有一项名为“牛顿环”的研究成果，可以解释气泡为何如此多彩。

皂膜本身是无色的。阳光在肥皂膜的上下表面反射，并产生干扰。太阳光由不同波长的可见光组成。在胶片的一个地方，两道反射光的红光相互抵消，这个地方呈现蓝绿色；在另一个地方，红灯可能会加强。此外，皂膜的厚度不均匀，随着气流和重力的扰动，膜厚也不断变化。于是，整个肥皂泡呈现出不断变化的多彩。这种现象出现在浮在水面、镜片或珍珠上的油膜表面。

镜头上的牛顿环现象| wiki

老大爷的问题

当然，牛顿不是靠吹泡泡发现牛顿环的。然而，许多学者在吹肥皂泡的同时发现了新天地。

热力学的创始人，英国物理学家开尔文勋爵就是其中之一。

开尔文曾经说过：“如果你吹一个肥皂泡并观察它，你可以研究它一生，并得到一个又一个物理定律。” 1887年，开尔文的侄女特地到镇上去。下去参观老爵士乐。推开房门，映入眼帘的是大书生开心地吹泡泡。

痴迷肥皂泡的开尔文勋爵曾经问过一个问题：如果空间被分割成很多部分，接触面积最小化，那么这些部分应该是什么形状？

这个问题被后人称为“开尔文问题”。

在二维平面上，开尔文问题已经被蜜蜂解答了。六边形蜂窝结构是平面上最有效的堆叠方式。当然，蜜蜂没有数学基础。他们这样筑巢，就是为了节省一些蜂蜡——这就是大自然的智慧！

至于三维空间的开尔文问题，老爷自己给出的答案是一个截断的八面体，由八个正六边形和六个正方形组成。

Kelvin 认为用这种结构填充空间是最有效的。这个答案显然受到肥皂泡的启发。

交叉角八人脸（由 6 个正方形和 8 个正六边形组成）及其空间排列 | wiki

虽然开尔文没有对这个说法给出严格的证明，但是在接下来的100年里，大有人认为提问者的回答是这个问题的最佳解决方案。

超越开尔文：威尔-弗兰泡沫

直到 1993 年，开尔文的泡沫破灭了。

爱尔兰物理学家丹尼斯·威尔和罗伯特·弗兰提出了一种超越开尔文结构的新设计。

这种结构称为“Will-Fran Bubble”，包含两个元素：12 面体和14 面体。用 Will-Fran 气泡填充空间可以比开尔文方法节省 0.3% 的原材料。

威尔-弗兰气泡结构| wiki

值得一提的是，Wei Al-Fran Bubble 是北京奥林匹克游泳中心（水立方）的设计灵感来源。因为借鉴了这个模型，“水立方”所需的钢材量大大减少，整个建筑主体只用了6700吨钢结构（与正常水平相比，需要多少？储蓄？）。