大多数的空气分子都以大约每秒几百米的速度蹦来跳去,但任何给定时刻总有些分子碰巧比别的分子运动得快。最快的那一小撮速度可达每秒1000米以上,在右边的玻璃杯中,就是这一小撮率先飘进真空里面。
但是左边杯子里的真空被各种障碍包围住了,空气分子难以进入。水是液体,体积基本固定,不能像气体那样轻易扩散、填满真空。但是面对真空,它的确会开始沸腾,缓慢地把水蒸气层层扔进真空当中。
#译注:所谓沸腾,发生在液体本身的饱和蒸汽压大于等于外界气压的时候。正常情况下我们是靠加热水、增加它的饱和蒸汽压来达成沸腾,不过现在是真空,外界气压为零,所以自动就沸腾了……
此时,左右两只杯子里表面的水都开始沸腾了。但是右边的杯子里,空气迅速涌入,在沸腾大规模启动之前就把它阻止了。而左边的杯子还在继续用一层层稀薄的水蒸气缓缓充填真空。
几百微秒之后,涌进右侧玻璃杯的空气已经把真空完全填满了,然后一头撞到了水面上,产生一阵压力波传入水中。玻璃杯的侧面因此轻微地向外凸出,但玻璃材质足以承担这种程度的压力,因此没有破碎。反弹回来的震荡波再次从水中穿过,回归空气,加入了原已存在的空气湍流之中。
接下来,真空坍塌所产生的震荡波扩散开去、通过另外两个杯子,这花费了大概1毫秒的时间。当震荡波经过的时候,杯子和杯中的水都轻微地弯曲了。再过几毫秒之后,它扩散到人的耳朵里,化为一声巨响。
大概到这个时候,你能用肉眼看到左边的杯子悬浮到了空中。
大气压正试图把玻璃杯和水压到一起去。这就是我们平常所说的“吸力”。右侧杯子里的真空维持的时间太短,不足以让吸力把杯子拉起来,但因为空气不能进入左侧杯子里的真空,玻璃杯和水开始滑动,相互靠近。
现在,原来的真空里已经有了一丁点儿水蒸气,这都是沸腾过程产生的。随着空间逐渐变小,累积的水蒸气施加给水面的压强也逐渐变大,最后会使得沸腾过程减缓并停止,正如较高的气压会阻碍沸腾一样。
但是,现在杯子和水相向移动的速度实在太快了,这时水蒸气的累积其实已经无关紧要。在不到10毫秒的时间里,杯子和水就已经在以每秒好几米的相对速度飞向对方了。而它俩中间除了几缕水蒸气之外别无它物,根本无法形成气垫,因此水像一把大锤一样咣当砸中玻璃杯底。
水几乎不能压缩,所以撞击力道不会分散开——干净利落就一下。巨大的力量瞬间作用在玻璃杯上,把它打碎了。
这就是所谓的“水锤”效应。当你拧死旧式自来水管上的水龙头时,有时会听到沉闷的“咣咚”一声,就是这个效应的后果啦。有个著名的派对小把戏“空手碎大瓶”,用手狠砸玻璃瓶的顶端就能让瓶底碎掉,也是同样的原理。这个把戏被流言终结者录过,物理课上分析过,还在无数的学生宿舍上演过……
当手砸中玻璃瓶的时候,它会突然向下运动。但是里面的液体因为惯性不会瞬间跟下去,吸力作用起来也没那么快,于是液体和瓶子间出现了一个短暂的空隙,和我们的场景很类似。这就是一个小真空,不到一厘米厚,但它闭合时产生的震荡波也足以打碎瓶底了。
而在我们的情形里,这个力量将足够破坏最厚重的饮水用玻璃杯。
杯子底部被水向下推动,撞到桌面上,水花飞溅,向四面八方喷洒小水珠和碎玻璃碴。
与此同时,玻璃杯残存的上半部分还在继续上升。
0.5秒之后,观察者们会听到“啵”的一声,情不自禁地畏缩一下。他们的头会不由自主地抬起,视线追随着上升中的玻璃杯。