一直困扰科学界的问题——水是怎么流动的
科学无国界
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作者：Dana Mackenzie
插图: PING ZHU
翻译：Kun
审校：Nuor
在比约恩·霍夫的实验室里，就像禅宗的喷泉一样，有一泉流动的活水，水流从顶部的蓄水池通过导管缓缓流入一根15米长的玻璃管，这根玻璃的管壁比温度计的玻璃壁还薄。就像生物学家精心培育细菌一样，奥地利科技学院的霍夫通过控制管内的温度和无菌情况，来使得管内的水流尽可能平稳和流畅。
霍夫仿佛在培养具有繁殖功能的生物，尽管这种生物不是活的。在这种禅宗式的完美平衡中，他偶尔会加入一点点的扰动：将少量的水从管子的侧面吹入。每一股带着漩的水沿着管道向下流动时，就像可以自我复制的细菌一样，它可能会分裂成两股，也可能会突然消失，本文中我们将它称为“股流”（puffs）。
霍夫认为，在这些股流的动力学过程中，蕴含着一个困扰物理学家一个多世纪的问题：湍流（紊流）到底是什么，它是如何产生的?
在130多年前，一位名叫奥斯本·雷诺兹的英国工程师就已经开始了对湍流的研究，他的实验与霍夫的实验并无太大区别。雷诺兹将颜料注入流过玻璃管道的水，就可以清晰地看到湍流。他发现当水流动缓慢时颜料并不会扩散，它只会沿着直线流动——研究人员称其为平稳的“层流”。当水的流速加快时，颜料的流动会变得蜿蜒起来。但是，当水流得再稍微快一些的时候，它就突然变得湍急起来，也就是形成了“湍流”：颜料会像野花一样绽开，很快就填满了整个管道。
管流的临界雷诺数很可能是自然界中最难获知的常数。
虽然管流可能是研究湍流最简单的体系。但是，研究人员到现在还没有完全解释雷诺兹观察到的现象，这是很让人惊讶的。曼彻斯特大学的汤姆·穆林说：“人们经常会问我，‘这么多年过去了，怎么还解决不了这个问题?’”。
这个问题没有解决，并不是因为这个问题没有价值。相反，如果我们对管道中湍流的有了全面的认识，这将会有助于阐明在多种情况下的湍流转捩。如果我们知道如何减少空气和流体中的湍流，我们可以帮助工程师更有效地用长管道泵送石油，还能制造出抗风能力更强的汽车。此外，我们还能更有效地利用湍流，比如利用飞机机翼附近的涡流将空气层拉向机翼，从而可以让飞机更缓慢，平稳地降落。
十年以来，管道中的湍流是如何产生的，这个问题的秘密终于被揭晓。2004年，马尔堡大学的布鲁诺·埃克哈特和布里斯托尔大学的里奇·克斯威尔在理论上发现了介于层流和湍流之间的第三种难以想象的状态——行波。这种实验中出现的波，就像霍夫在他的长玻璃管中吹出的股流。2011年，霍夫与五名合作者利用股流揭示了湍流是如何产生的。他们提出，尽管这些水不是湍流，但从某种意义上说，它们是组成湍流的“原子”。
埃克哈特说：“他们把最后一块拼图已经拼好了。” “虽然你可以就细节和数字展开讨论，但我们现在已经清楚地知道应该去关注什么，而且我们可以把同样的方法运用到其他系统。”
流体中的密码
流体流动(包括空气流动，因为空气是流体的一种)的规律是遵循一组称为纳维尔·斯托克斯（Navier-Stokes）的方程的，奥斯本·雷诺兹甚至在做实验之前就已经知道了这些规律。从理论上讲，掌握管道中的流体流动规律纯粹是一个数学问题：代入管道的尺寸、入口处的水的速度和压力，解出纳维尔·斯托克斯方程后就完成了求解。
但说起来容易做起来难。纳维尔·斯托克斯方程具有数学家所称的非线性特征。也就是说涡旋可以通过反馈回路，从水流中吸收能量，从而变得越来越强。正如科学家在20世纪60年代到70年代的观点，他们提出非线性特征是混沌的产生原因。对水流最微小的改变，即使是一个小到无法被检测到的改变，都可以完全改变流体后续的行为。这就是为什么我们仍然很难预测未来5天以后的天气。管流是纳维尔·斯托克斯方程少有的只有一个简单解的情况之一：层流。理论上说，这个解就像一个稳定且平衡性好的“独木舟”。根据这些方程，层流永远不会倾翻，也就是说，层流状态永远不会倾覆成为其他状态。实际上，如果水流动得足够快，结果确实会如此。当你把龙头开到最大，你看到的不是一条光滑、清澈的水流而是一团混沌、复杂的情况。所以管流可以作为湍流研究的一个重要的案例：“独木舟”开始时似乎是完全平衡的，那么它倾翻的原因是什么?
更困难的是，科学家们至今还没有就如何定义湍流达成一致。我们可以说湍流意味着快速混合，涡旋拉伸，从大到小的旋涡的能量级联，或对初始条件依赖的敏感性，如何解释主要取决于你问的是谁。
不过，研究人员确实有一种研究湍流的途径：雷诺兹发现了一个简单的比例系数，这个比例关系概括了流体的物理状态。这个“雷诺数”可以让科学家以相同的方式描述几乎所有的流体。因为它考虑到了流体的速度和粘度。因此，在小型风洞中进行的实验，其结果可以映射到飞机上，或者用水进行的实验，可以解出石油流动的实验结果。
对于研究流体的人来说，雷诺数就像一个压缩包的密码。雷诺数低于1000，流体可以说是粘性的或缓慢的，此时在层流的范畴。在1000到2000之间，流体流动得更快，我们可以引入无序但它会很快消失。雷诺兹观察到，在雷诺数大约在2000左右的时候，流体会发生一个转变：转变了一种更适合形成湍流的状态。在2000到4000之间，管道中湍流流体的比例从接近零增加到了接近100%。
到目前为止，流体研究人员一直在努力搞清楚到底是什么导致了湍流转捩，甚至确定了转捩发生时的精确的雷诺数。2009年，埃克哈特发现不同语言的维基百科给出了不同版本的临界雷诺数值：在英语、法语和瑞典语中是2300；在德语中是2320；葡萄牙语中是2000到3000；在西班牙语中是2000到4000。
在物理学的任何领域，这种不确定性都将是丑事。管流的临界雷诺数很可能是最难知道的自然常数。
生成和消失
如今，霍夫的实验终于使这个问题明朗起来了。这个实验源于2003年埃克哈特和克斯韦尔，除了层流和管道中的纳维尔·斯托克斯方程，他们还真正得到了第一个数学解。(他们的工作基于威斯康星大学的费边·瓦莱夫之前的一个发现，他发现层流和两个平板所夹的流体之间具有相似的结构。) 在雷诺数为773到2000之间时，会得出这些解，然而此时的流体既不是层流也不是湍流。此时它们的特征是反向旋转的旋涡对，这些旋涡对会随水流动，既不会消散也不会增强。
这些股流就是行波，行波的概念纯粹是计算机构造出来的。因为他们不稳定，所以你无法在实验室里得到。然而，我们能够制造出一种类似于行波的行波波形，只要在实验室里这种行波持续时间足够长，我们就可以对其进行测量。
当然，吹出的股流并不构成完整的湍流——它更像是一粒湍流的种子。股流不会扩散到整个管道，它在空间上是有限的。更重要的是，它是有寿命的。我们可以看到，一股股流顺着管道流，没有任何异常的迹象，但是，突然！噔噔噔噔——它消失了，水又回到了层流状态。
埃克哈特和他的团队是第一个认为所有的股流都是瞬态的，甚至高于临界雷诺数。在他2004年的论文发表之前，研究人员曾假设，在某一临界数值以上时，股流便就不会消失，而这解释了向湍流转捩的过程。霍夫的实验证明埃克哈特是对的：即使雷诺数超过2000，股流的寿命仍然是有限的。但这产生了一个悖论：如果股流是瞬态的，它们是如何引起稳态湍流的？华威大学的德怀特·巴克利曾参与了霍夫的实验，他说：“这个悖论是四五年来备受争议的话题。”
巴克利和霍夫认为问题的关键在于需要知道股流在消失之前发生了什么。1975年左右，亚利桑那大学的威南斯基注意到，有时一个股流会自动分成两半。因此，股流不仅不会消失而且还可以自我复制。
与具有放射性的原子核的一样，股流也有可以测量的“衰变”速率。但没有人能预测一个股流何时消失，但如果你收集了足够多的股流，你就能确切地说出在给定的时间里消失的百分比。同样，单个新股流的出现是无法预测的，但整体来看，股流数目的复制速度是可以预测的。霍夫, 巴克利和他们的合作者们克斯汀，埃尔兰根大学的马克·阿维拉伦敦帝国理工学院的戴维·莫西和马克思普朗克研究院的阿尔贝托·德·洛萨尔发现：随着雷诺数的增加，股流的生成率会上升，消失率会下降。
托马斯·马尔萨斯甚至预测了接下来会发生什么。一旦生成率超过消失率，湍流就会蔓延。这就好像管道被股流填满了一样。如果生成率小于消失率，湍流就会消失。而股流的生成率和消失率完全相等的零界点就有临界雷诺数，也就是向湍流转捩的地方。
湍流的产生：最上面的图片显示了一个单一的股流结构的图像，雷诺数为2000(低于开始产生湍流的值)。随着雷诺数的增加，空间结构尺度减小。源于：曼彻斯特大学的乔治·培新豪和托马斯·穆林。
这是一个看起来简单而美好的想法。但是通过实验确定临界雷诺数并不容易。尤其是当气流接近临界雷诺数时，股流的半衰期急剧增加。当雷诺数为1800时，在直径为1厘米的管道中，预计会有一半的股流在流动仅仅一米后就会消散。但是，如果你把数值调到2000，那你会需要一根60多英里长的管道才能看到一半的股流消散。建造这么长的管道是不可能的，计算机模拟也没有办法，因为现在最好的超级计算机计算速度也要比它自己本身流动要慢。
尽管如此，前进的方向还是很明确的。正如巴克利所指出的，“我们知道很多东西的半衰期，比如说对于碳14(它的半衰期为5730年)，并不是用5000年来观察的单个原子知道的，而是通过观察大量的原子。同样地，你可以观察大量的运动中的股流的来估计它们的生成率和消失率。霍夫利用15米长的管道制造了一个自动股流发生器，可以得到大量的股流，这些数目足以让很多股流消失或复制。
研究人员发现，生成率和消失率相等时的雷诺数为2040。这是对雷诺兹的结论的支持，他在1883年的实验比2009年维基百科的大多数条目都要更接近正确答案。
推演到管流以外
巴克利，霍夫等人现在正努力使雷诺数超过2040，以弄清楚湍流到达过渡区后会发生什么。与雷诺兹观察到的相反，股流并没有立即完全变成湍流：而是湍流区穿插着平滑的区域。很容易发生这样的情况：两到三个排成一行的股流没有分裂反而消失了。如果雷诺数只比2040大一点点，那么你会得到一个很长的层流段。
同时埃克哈特和瓦莱夫致力于将股流的概念扩展到其他湍流结构中，比如飞机机翼上的气流。在这个领域中雷诺数不是恒定的，而是从机翼前缘数值为0开始，一直到机翼后缘增长到1000万甚至更多。当机翼上产生涡流的部位有精巧的结构设计时，会产生很大的影响。许多飞机的机翼上已经有了垂直尾翼，我们称为涡流发生器，该设计目的是为了在飞机起飞或降落时增加湍流。但是，瓦莱夫指出，这些结构的设计并不是基于对物理学的认识。“他们是通过不断试错，在黑暗中摸索出来的”。他指出，航空工程师通常不关注管内流体流动的相关研究，虽然他们确实应该关注，因为股流能够在解决其他流体流动问题中起作用。
关于股流最重要的事情，不是如何去应用，而是它清晰的证明方法。尽管人们对湍流有各种不同的定义，迄今为止还没有明确的方法来证明它是如何产生的。霍夫课题组的工作给出了一个明确的定义：当股流的生成率超过消失率时，就会出现湍流，且股流能够在流体中复制。
埃克哈特相信，这个精确且可以量化的定义，不仅可以用于管道流动，还可以应用于其他领域对湍流的应用。埃克哈特说，无论他们是在飞机机翼上增加翼片来促进湍流的产生，还是在油中添加聚合物来阻止湍流的产生，研究人员“能够对流体做任何精确的评估工作”，“搞清楚基础知识总是一件好事。”
这篇文章最初发表在2014年7月的《湍流》杂志上。
原文链接：http://nautil.us/issue/71/flow/how-does-turbulence-get-started
【互动问题：有哪些大家以为科学家搞清楚了，实际上没人能解释清楚的问题？】
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编辑：aki
为什么水的涟漪是圆形，而不是方形或者三角形？| No.379
除了圆形你还见到过其他形状的水的涟漪吗？
Q1光子经过反射后能量改变吗？
by 匿名
答：不会,光子经过弹性反射后其能量是保持不变的。
光子是量子力学中的一个基本概念,表示电磁波中的单个能量量子。根据量子力学理论,光子具有能量E=hv的特点,这里h是普朗克常数,v为光子的频率。
当光子发生弹性反射时,其频率保持不变,因此光子的能量也保持恒定,不会因反射而改变。
反射过程中,光子与反射表面发生相互作用,可能会改变光子的其他一些物理量,如动量方向会发生改变。但作为光子的一个内秉特性,其频率和能量在整个过程中都保持不变。
这与经典光学中的光束照度在反射过程中会有衰减不同,光子作为量子的能量不会因传播和弹性反射而改变或流失，这反映了量子力学理论与经典理论的一个本质区别。
但是如果光子和物质分子、晶体甚至是物质电子发生非弹性散射，例如拉曼散射、康普顿散射，由于光子和物质发生了能量动量交换，散射后光子能量发生变化，但系统整体依旧遵循能量守恒定律。其中拉曼光谱已经是常用的光谱分析技术,可以研究晶格振动模式获知晶体结构。
综上所述,光子经过弹性反射后其本质量子特性之一的能量是保持不变的，但是如果发生的是非弹性散射则光子能量会发生改变。这是根据量子力学理论得出的一个重要结论。
by 青春小花
Q.E.D.Q2电的传输是电子的移动吗？蓄电池蓄的是很多电子吗？
by 匿名
答：电流产生于是电荷的移动，并不是电子移动。
这里需要说明两点：
1、原子中的电子的实际运动速度非常快，主要在原子核外的“轨道”上运动，但其质心运动平均起来几乎没动，即其对电流的贡献（漂移速度）很小。电荷的移动并不是指电荷从导线的一端移动到另一端，而是电能的传递。类似于对于一排站好的同学（至于为什么是一排站好的同学就跟导电性有关，排排站的物质就好像导体），第一个同学推了下一个同学一下，依次递推至最后一个同学，其实传递的“推力”。
2、其实更重要是是电压（电势差）。中学物理就告诉我们，一根导线可以两端有电压但是没有电流，我们用电是用的“电的势能”。用电在生活中可以被认为是在用一种一般等价物（就像钱），实际上我们并不关心电，我们真正用的是用电器，所以我们更关心电提供的能量，这里的电能来源于电压。蓄电池的种类繁多，总得来说可以认为是一个产生电势差的储能装置。
电势差主要是由于不同金属的电子逸出功不同导致不同金属接触时相互渗透的电子数目不相等产生这部分被称为接触电势差。逸出功就是原子中能级最高电子逃离原子核束缚所需要的能量，对金属而言，能级交叠形成能带，逸出功就是电子从填充最高能带跃迁到自由电子（非束缚态）所需要的能量，不同金属由于电子占据的能级不同跃迁所需要的能量也就不同。
另外电极（金属）浸入溶液中会吸引与电极异号的离子在表面聚集，从而形成双电层，双电层内的电极电势叫绝对电极电势也对总电势差有贡献。所以不能说蓄电池是储存很多电子，因为电子无处不在（在你身体里的电子很可能比电池里的多得多），而是“储存”了电势差（电压），根据电势差的来源不同把电池分成了很多的类型。
by opzk
Q.E.D.Q3无穷大之间有大小吗?
by 匿名
答：数学中认为：无理数比有理数多得多！有理数包含所有的分数和小数，无理数是指无限且不循环的数，常见的有圆周率 π=3.1415926…、和自然常数e=2.7182818……。
我们可运用集合的观点来浅浅地看待一下这个问题，我们将所有的有理数全部放到一个集合中去{…-1，-1/2，0， 1/2,1…}，这个集合中包含了所有的整数和分数。给上述集合中的每一个有理数都加上 π，构成了一个新的集合：{…-1+π，-1/2+π，π，1/2+π，1+π…}，这个集合中的每个元素都是无理数，并且和有理数集合中的元素是一一对应的，它们的元素个数一样多。
但如果考虑下面这样一个集合：{…-1+π，-1/2+π，π，1/2+π，1+π……-1+e，-1/2+e，e，1/2+e，1+e…}，这个集合中的每个元素都是无理数，显然其中的元素个数多于集合{…-1+π，-1/2+π，π，1/2+π，1+π…}中的元素个数，也就比有理数集合{…-1，-1/2，0， 1/2,1…}中的元素个数要多。
无穷大也可以这样进行比较所谓的“大小”，重要的是对应法则，如果能找到一种元素之间一一对应的法则，可以表明无穷对应的集合一样“大”。
by serendipity
Q.E.D.Q4磷脂分子自动成膜，而热力学第二定律是永远熵增。那么自动成膜是否违反了熵增？
by 匿名
答：在只有磷脂分子的系统里看是这样的，但是这里还忽视了这个过程的其他部分：对于一个化学反应，有吉布斯自由能判据ΔG<0，在通常实验体哦阿健下我们可以控制压强与温度恒定，故此时这个条件也能写作ΔH-TΔS<0，其中ΔH为系统的焓变，ΔS为系统的熵变。
而我们注意到磷脂自发成膜的焓变几乎为0，那么我们就能从这个条件中得到ΔS＞0。这似乎与我们开头提到的结论相悖，但事实上熵增是必须要在孤立系统内考虑的，即这个系统不与外界发生物质或能量交换，但磷脂分子的集合显然不是这样的系统，我们将其反应环境（包括溶剂水）囊括在一起才构成了满足这一条件的系统。现在我们分析这个系统，磷脂分子自发组装成膜变得更加有序，导致系统熵减；但反应中溶剂水的结构发生改变导致系统熵增，这两个部分的贡献的和导致系统熵增，也就是上面计算得到的结论。事实上磷脂分子自发组装成膜是一个典型的熵驱动的化学过程。
by ArtistET
Q.E.D.Q5元素周期表会无限扩增吗，宇宙中存在无限多种人类没发现的元素吗?
by 清霁
答：从原子层次来看，若把原子核看成一个点电荷，由波尔的量子理论可知，原子内层电子运动速度不能超过光速，同时考虑原子核电荷的空间分布，这样给出的元素质子数上限约为173；从原子核层次来看，原子核的电荷与质量的极限主要取决于吸引的短程力与排斥的长程库仑力之间的竞争，这样的竞争导致原子核的形状势能曲面上会出现一个位垒，阻挡原子核发生裂变。
质子数越大，库仑排斥效应越强，裂变位垒越低。若把原子核看成经典的带电液滴，当质子数约为104时，原子核裂变位垒几乎消失，原子核会变得极其不稳定。然而，原子核作为一个有限的量子多体系统，其内部结构非常复杂，量子效应在其中起着极其重要的作用，其中最显著的就是量子壳效应。
量子壳效应的存在导致原子核中出现更高的裂变位垒，保证原子核的稳定性，使得元素周期表能够在104号元素之外继续扩增。除此之外，α衰变、β衰变、质子发射、中子发射和重离子集团发射等衰变模式都会影响原子核的稳定性，这些因素一起决定了合成新元素的上限。
在理论研究方面，不同的理论模型给出不同稳定超重核的预言，至今还没有一个定论；在实验上，目前合成的核电荷数最大的元素为118号元素（Og）,新元素制备的实验还在进行当中，比如德国的GSI和俄罗斯Dubna联合核子研究所都曾进行过合成119号或者120号元素的实验，但由于种种原因，这些实验都以失败告终。
有关新元素的合成目前还面着临许多困难和挑战，合成元素的上限在哪里至今还是一个未知的问题。
by Sid
Q.E.D.Q6在不充电的时候，电脑的充电器一直不拔会对充电器有什么损害吗？
by 棒棒糖
答：想必大家肯定都有过这种时候，给笔记本充满电之后只拔下接头，并没有拔下AC电源线的充电头，导致充电器的电池一直处于工作状态。因为现有的许多充电设备都带有自动断电以及保险丝的设计来保护电路，让我们不需要担心电线短路等意外状况的发生，但是长期充电却也会对其有一定的损害。
为了给大家解释清楚电脑适配器的内部结构，笔者决定拆了（bushi）自己的戴尔130W适配器给各位开开眼！
一般来说，适配器由以下几个部分组成：
1、压敏电阻，当外界电压过高时，压敏电阻阻值迅速减小，而与之串联的保险丝就会烧断，保护其他电路不被烧坏。
2、保险丝，其规格大多为2.5A/250V，当电流过大保险丝就会熔断保护其他元件。
3、电感线圈，降低电磁干扰。
4、整流桥，将AC交流电转换成DC直流电。
5、滤波电容，用来滤除直流电中的交流纹波。
6、运放IC集成电路，保护电路以及电压调节。（集成电路具体知识请查询数电、模电，笔者不愿回忆那段痛苦的时光）
7、温度探头，用来探测适配器内部的温度情况，当温度高于某一设定值时，保护电路会自动切断电源适配器的输出电压，从而保护电源适配器和电脑的部件不受损害。
8、大功率开关管，这是针对于开关电源的设计。
9、开关变压器，负责变压，次级整流管的功能是把低压交流电变为低压直流电，整流管往往是由两个大功率整流管并联工作以获得较大的电流输出。
10、次级滤波电容，共有两个用来滤除直流电中的波纹作用。
而整个PCB板由散热铜片所包裹，这也就是为什么工作状态下，充电器的温度会不断升高（笔者冬天就喜欢握着适配器当暖手宝）。
从以上可以看充电器里面配备的电子元件众多，长期充电会使他温度相较断电时高，温度是影响电子元件使用寿命的重要因素，因此笔者还是建议在不充电的时候，就把充电器的插头拔掉，日常爱护我们的笔记本学（you）习（xi）才快乐呀！
by 蓝多多
Q.E.D.Q7所所所所，为什么桂花香是甜的嘞？可别告诉我运用了通感修辞
by 我家宝宝多乖
答：仲秋时节，丛桂怒放，你们那儿的桂花开了嘛？
桂花中含有许多种烯、酮、醇等芳香类物质，主要有罗勒烯(ocimene)、蒎烯(pinene)、β-紫罗兰酮和二氢-β-紫罗兰酮(ionone)、芳樟醇(linalool) 等，这些芳香油物质大都具有很强的挥发性，它桂们通过植物细胞的新陈代谢被不断的分泌出来，在空气中扩散开来，所以微风飘过便带来桂香，而芳香油的多少和花瓣色彩有必定的关系，所以我们日常生活中看到的桂花一般金色香味浓郁，白色稍寡淡。
桂花香气中的组分芳香类物质会互相作用,产生协同效应。即使某些组分自身不甜，比如说紫罗兰酮是单独闻并不特别香的成分，但是只要和其他芳香分子混合后，香味就会迸发出来,混合后也会增强甜味。
综上所述,桂花香气中含有丰富的醇类、酯类、酮类等甜味化合物,以及这些组分之间的协同效应,共同导致了桂花香气中的甜美气味，这些芳香类物质与嗅觉受体结合，从而引发了甜味的感知，这也是桂花独特魅力的来源。
最后，其实气体可以是甜的哦，这并不是文学上的通感，而是由复杂的生化反应所导致的，例如历史上被誉为“无机化学之父”的英国化学家戴维（其中他最大的发现，就是发现了法拉第）就发现了一氧化二氮（又名笑气）的神奇气体，就是一种无色有甜味的气体，有轻微麻醉作用，并能致人发笑，故得名笑气。但是特别提醒一下笑气不要滥用喔，长期吸入笑气或吸入高浓度笑气会导致脑细胞和神经系统损害，长期吸入还可导致不可逆的脊髓病变，随着医学的进步，已经很少用它做麻醉剂了。
参考资料：
一氧化二氮
笑气
by 青春小花
Q.E.D.Q8为什么水的涟漪是圆形的，而不是方形或三角形？
by 欣欣子
答：水波为什么是圆形的呢？这其实和水的各向同性与机械波沿各个方向传播速度相同有关。你可以想象一下，当你在水面上扔一块石头，就像在一个平静的湖面上玩溅水游戏一样。石头撞击水面的时候，就会产生一个波浪，就像一个小小的爆炸一样。这个波浪会把能量从撞击点向四周传播，就像一个圆形的涟漪一样。
那么，为什么这个涟漪是圆形的呢？为什么不是方形或者三角形呢？这是因为水分子在水面附近的运动是上下的，而不是左右的。也就是说，水分子不会离开撞击点，而是在原地上下跳动，就像一个弹簧一样。这是因为水是各向同性的，在所有方向上都具有相同的物理特性，也就是说，它没有特别喜欢的方向，因此波会以同心圆的形式向外传播。
在数学上，我们可以用二维波方程来模拟水的机械波传播。初始波纹产生点就像一个点源，中心分子的振动在电磁力的作用下引起周围分子的振动，传播过程中波的振幅与半径成反比递减。严谨的来说，波速由水的密度决定。随着波形的扩展，单位长度波面的能量扩散率保持不变，这种几何扩散导致了观察到的圆形波纹图案。
当然，如果水深不均匀（如近岸水浅处波纹）、在不均匀介质内传播、在外力场影响下（如水面下有其他障碍物）、水的流速和波速差异较大（如在快速流动的水丢一个小石头）等情况时就不会完全是圆形的啦。
by 青春小花
Q.E.D.本期答题团队
ArtistET、opzk、serendipity、Sid、蓝多多、青春小花
编辑：Gyoku
江河源头，是怎么确定的？（把自然讲给你听·水）
原标题：江河源头，是怎么确定的？（把自然讲给你听·水）
长江正源沱沱河。新华社记者张宏祥摄
长江南源当曲。新华社记者张龙摄
长江北源楚玛尔河。记者 姜峰摄
确定河流源头，有的以“长度”为判断标准，哪个离入海口距离最远，哪个就是源头。有的以“水量”为标准，看哪个源头对河流补水贡献较大。江河源头的确定也要兼顾历史习惯、河流走向、海拔高度等多种因素
君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回。黄河水，源头到底在哪儿？作为我国第一长河，长江流经11省份，它的源头又在哪里？历史典籍里的传说、文人墨客的足迹，充满了对江河源头的探究。
怀山之水，必有其源。过去很长一段时间，江河源头总像是蒙上一层神秘面纱。对大江大河源头的追寻、解密，延续千百年，其确定也常常伴随着争议。
一般来说，确定河流源头的原则有几个考量因素。有的以“长度”为判断标准，哪个离入海口距离最远，哪个就是源头。有的以“水量”为标准，看哪个源头对河流补水贡献较大。此外，江河源头的确定也要兼顾历史习惯、河流走向、海拔高度等多种因素，往往是经过艰苦勘探、科学考察后综合考虑的结果。
以长江为例，关于长江正源的争议主要在沱沱河和当曲之间。从两者的长度上看，沱沱河与当曲相差很小，基本上在测量误差范围内，但沱沱河源头距长江入海口直线距离最远，其源头各拉丹冬的藏语意为“高高尖尖之山峰”，能充分体现长江发源于青藏高原的特点；从流向看，当曲干流走向与通天河及长江几乎相反，向西偏北方向流出……综合各类因素，沱沱河作为长江正源更合理。上世纪70年代末，我国科学家组织的科考队，首次将长江源追溯到唐古拉山主峰各拉丹冬雪山，此后陆续探明“长江三源”：正源沱沱河、南源当曲、北源楚玛尔河。
如果你来到长江源头，一定会惊讶，奔腾万里的长江的源头竟是这样的涓涓细流。纵观大江大河，无论是水量还是长度，源头的占比并不大，可是为何还把江河源称为江河“生命源”？
拿三江源来说，长江、黄河、澜沧江三大河流滋养着大半个中国。从涵养水源的角度看，这里是我国淡水资源的重要补给地，天寒地冻、高山耸峙，造就了连绵雪山冰川。据统计，这里的雪山冰川面积约4900平方公里，冰川资源蕴藏量约2000亿立方米。强大的水资源储蓄能力，让这片土地成为世界上孕育大江大河最集中的地区，无愧“中华水塔”的称号。
看世界大江大河，其源头也多为水资源丰沛、地形地貌多样的地带。清水活源，才能为奔腾千里的江河供应源源不断的动能。
从2012年起，我们团队持续对长江源进行科考，江水、冰川、冻土、草地、鱼类，科考范围不断扩大；三维激光扫描仪、遥感系统、无人机，科考的技术手段越来越丰富……我们钻取冰川冰芯解读江源气候变化，在冰湖中发现了长鳍高原鳅，首次在长江源发现鱼类越冬场，对江源区碳汇潜力精准“画像”等。通过摸清生态本底，把脉江河健康，为江河源保护治理提供决策支撑，唤起全社会保护意识。
越深入江河源，越是敬畏自然。比如，三江源是世界高海拔地区生物多样性最集中的地区之一，是亚洲乃至全球气候变化的敏感区。但与此同时，草地退化、水土流失、冰雪消融等生态问题仍然存在，生态保护任重道远。因此，必须采取最严格的生态保护政策，加大系统保护和修复，严格控制人类活动强度；在体制机制创新上，还应探索横向生态补偿机制、开展流域和区域协同保护；加强基础问题研究，持续开展科学考察、加大科技成果推广应用。
江河之源、涓流奔淌，一路汇众流、蓄势能，终成奔涌之势。久久为功守好江河源，才能更好地筑牢国家重要生态安全屏障。
（作者为水利部长江水利委员会长江科学院总工程师，记者王浩采访整理）
（人民日报）
