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又是一个快乐的周末。你约了朋友，点了两瓶啤酒，倒在玻璃杯里。然而，像往常一样，啤酒里出现了许多泡沫，溢出来了。这些“烦人”的泡泡总是把桌面弄得乱七八糟，但你有没有想过一杯啤酒里会有多少“烦人”的泡泡？
5000多年前，美索不达米亚的人们就开始喝啤酒了。现代啤酒主要由水、谷物、酵母和啤酒花发酵而成。在发酵过程中，酵母会分解谷物中的淀粉，产生美味的糖分、醉人的酒精和二氧化碳3354，这是气泡的来源。罐装啤酒时，生产商会注入额外的二氧化碳来增加容器内的压力。这导致啤酒在打开或倒入杯中时会产生大量气泡。
那么，当你小心翼翼地将啤酒倒入杯中时，会有多少气泡冒出来呢？为了找出这个问题，法国兰斯香槟-阿登大学的热拉尔利格尔-贝莱尔(Grard Liger-Belair)和克拉拉西林德(Clara Cilindre)进行了充分的理论分析，并用实验验证了他们的预测。他们也在ACS Omega杂志上发表了他们的结论。他们的实验表明，一杯啤酒发出的气泡总数在20万到200万之间。
理论分析
啤酒中能产生的气泡总数受三个因素的限制：啤酒中二氧化碳的总量，每个气泡中二氧化碳的含量，最后没有气泡形成时啤酒中二氧化碳的浓度。
二氧化碳溶于水，但二氧化碳溶解度的数据大多是在纯水中。对于酒精含量约为5%的啤酒，这方面的数据很少。好在2013年已经有人研究了啤酒中二氧化碳的溶解问题。但有一点是水和啤酒共有的：液体中能溶解多少二氧化碳与气压密切相关。
这就是所谓的亨利定律，即气压越高，啤酒中能溶解的二氧化碳越多。一般来说，啤酒瓶是不会灌满的，瓶口会留一点空间。这里的气压决定了啤酒中可以溶解多少二氧化碳。一般来说，二氧化碳的溶解度不是很高。但由于啤酒瓶内气压高，溶解度增加，瓶内啤酒的体积远大于气体，所以瓶内的二氧化碳大部分集中在啤酒中。
一般啤酒瓶里总会留有一点空间。决定啤酒中二氧化碳溶解量的是这里的气压(图片来源：pixabay)
0 ~ 5摄氏度的啤酒，内压一般为2个大气压。当你打开瓶子时，瓶盖砰的一声弹开，气压下降，瓶内气压恢复到一个大气压。此时啤酒中溶解的二氧化碳变成过饱和，二氧化碳可以溢出。
冒泡的诀窍
但很明显，开瓶时的“绅士”与否，会影响开瓶时产生的气泡数量。这是因为即使溶解的二氧化碳已经达到过饱和，从液体中形成气泡也会增加整个系统的能量，所以气体很难自发地从啤酒中冒出来。只有啤酒中有现成的气腔，气体才能从啤酒中自发成核，形成气泡。
根据啤酒-二氧化碳界面的表面张力强度、大气压、二氧化碳在啤酒中的溶解度和浓度，可以计算出刺激气泡成核的气腔临界曲率半径。对于实验中使用的6、酒精含量为5%的啤酒，只要曲率半径大于0.7微米，或者原气腔直径大于1.4微米，就可以从气腔长成气泡。
即使你开瓶的时候没有那么“野”，也要尽量避免啤酒瓶因为晃动产生太多的气穴，玻璃不会放过你。虽然大部分眼镜的表面看起来非常光滑，但如果你在显微镜下观察，你会发现它们布满了制造过程中留下的微小缝隙。每个缝隙都是一个坚不可摧的气腔，让溶解在啤酒里的二氧化碳出来。一般来说，玻璃杯的底部比较凹凸不平，这也是大部分气泡会从玻璃杯底部涌出的原因。
玻璃的显微照片，(a)(b)两张图中的黑线分别代表100微米和20微米。图片来源：ACS Omega 2021，6，14，96729679
随着二氧化碳的不断沉淀，啤酒中二氧化碳的浓度越来越低，以至于需要的气腔半径越来越大。直到啤酒中的气腔不再大到足以让二氧化碳沉淀，气泡才不会再沉淀。计算临界点，就可以得到啤酒不再冒泡时的二氧化碳浓度。
泡沫
气体的演化是一个动态过程。在气泡上升的过程中，气体不断从啤酒中进入气泡，气泡不断变大。在20世纪90年代，一些科学家研究了气泡扩大的过程。除了气压、温度、重力加速度等常系数外，气泡直径主要与气泡上升高度的三次方成正比。也就是说，气泡一开始会快速增长，然后维持一个稳定的直径。但与变化不大的直径相比，气泡的体积随着上升过程线性增加了——，这也意味着不同体积的啤酒倒入杯中，杯中的气泡数量会有很大的不同。
与20世纪90年代相比，今天的高速相机已经领先很多了。除了理论推导之外
，贝莱尔他们也直接用高速摄像机拍出了照片。当气泡上升到啤酒表面时，气压基本上和大气压相等，这时就能估计每个气泡中，二氧化碳的含量了。不过，玻璃杯的形状，向杯中倒入啤酒的多少，都会影响每个气泡中二氧化碳的含量。
一个泡泡在上升过程中的大小变化的示意图，（a）（b）两图分别为啤酒和香槟中的气泡，黑线代表1毫米 图片来源：ACS Omega 2021, 6, 14, 9672–9679
现在，我们已经得到了初始和冒泡结束时啤酒中二氧化碳的浓度，还有每个气泡中所含有的二氧化碳。稍加计算，就能得到每杯啤酒中冒出的泡泡总数了。在贝莱尔的实验条件下，一杯啤酒中冒出的泡泡大约在20万～200万个之间。
严谨的物理实验
本着实事求是的态度，小编在昨晚和朋友去吃烤肉的时候，也点了一瓶啤酒。但是将啤酒打开时，却发现啤酒中的“气”早已“跑光”。将啤酒倒入杯中时，几乎没有多少气泡。这是因为，能影响一杯啤酒中气泡总数的因素实在是太多了。
贝莱尔的研究总结出了很多能影响啤酒气泡数量的因素。啤酒的种类、酒精浓度、罐装时的气压，啤酒杯的形状、材质、制作工艺，向啤酒杯中倒入啤酒的多少，甚至大气压和重力加速度都能影响气泡的多少，作为严谨的物理实验，控制变量必不可少。
他们选择了一个法国品牌的啤酒，酒精含量为5%。啤酒用玻璃瓶封装，每瓶含有250毫升啤酒。在实验开始之前，每瓶啤酒至少在6摄氏度的冰箱中冷藏48小时。杯子也不能马虎，他们选取了四个机械制造的500毫升玻璃杯，尽可能保证它们是相同的。首先用稀醋酸清洗玻璃杯，再用蒸馏水清洗，清洗过后在60摄氏度的干燥炉中干燥，干燥完成后，再将玻璃杯存放在6摄氏度的环境中。之后，他们还学着服务员的样子，轻柔地将将整瓶250毫升的啤酒倒入杯中，尽可能减少倒啤酒过程中的颠簸。
只有在这样的条件下，一杯啤酒中冒出的泡泡总数才是20万到200万个。实验条件变化时，一杯啤酒中产生泡泡的数量会剧烈变化。200万和寥寥无几的对比对小编的冲击也的确不小。
不过，这些都不重要，啤酒好喝就行了。
参考论文：
ACS Omega 2021, 6, 14, 9672–9679 https://doi.org/10.1021/acsomega.1c00256
参考资料：
https://www.livescience.com/how-many-bubbles-in-beer.html
转自：环球科学
来源： 中科院物理所
