“我敲开了鸡蛋之谜”

选自：《新发现》 2005年12月号 发布时间：2006-6-29 15:15:17 点击： 159

如果把一个煮熟的鸡蛋放在桌上旋转，你就会发现鸡蛋最后自己站立起来了！这种“杰莱特鸡蛋”现象的本质长期以来一直未能得到解释，直到英国物理学家、数学家凯斯·莫法特（Keith Moffatt）在偶然的情况下向这一谜团发起挑战，并开始对旋转物体的神秘世界进行探索。现在就让我们来认识一下这位科学界的“魔术大师”吧。

编译：武峥灏

一位气质优雅的男士站在石台前进行旋转鸡蛋的表演。他是魔术师吗？其实，作为物理学家、数学家、英国特立尼特大学（Trinity College）和剑桥大学的名誉教授，凯斯·莫法特的经历与江湖艺人扯不上任何关系。他以前也曾执教于英国布里斯托尔大学、法国工业大学和巴黎高等师范学院，而且还在剑桥大学数学系埃萨克·牛顿（Issac-Newton）学院和《流体力学日报》担任领导工作……在其治学生涯中，他主要致力于磁流体力学和湍流理论方面的研究。但是这位年届古稀的英国绅士所表现出来的，是活泼与热情，而决不是科学名流通常在人们眼里应有的严肃古板的学究气。他在举办讲座时，能深深地打动那些对流体力学一无所知的听众，鼓励好奇者提出问题，享受棘手问题带来的乐趣，从容不迫地做出回答，并用生动的例子加以说明。而他最大的乐趣就在于向听众介绍这些年来关于熟鸡蛋旋转问题的研究。

故事还得从1997年圣诞节凯斯·莫法特给孙儿们的礼物——厄莱（Euler）圆盘说起。这种简单的小玩具看上去就是一个厚厚的圆币，表面十分平整光滑。如果在一个光滑平面上空，使圆盘像硬币那样腾空旋转落下，并让圆盘的边缘接触平面，它就会越转越快，直到几分钟后嘎然而止。厄莱圆盘的这一特性引发了凯斯·莫法特极大的好奇心，他于是决定投入这方面的研究。研究结果在2000年公布后，出人意料地引起了巨大的反响，来自世界各地的讲座邀请络绎不绝。一次，当凯斯·莫法特在剑桥大学举办讲座时，一位听众就厄莱圆盘和熟鸡蛋在旋转上的相似性提出询问。“当时我不假思索地回答说，同厄莱圆盘相比，鸡蛋的旋转只不过是小巫见大巫。当然，这个问题倒是可以用作大学生的考试题目。” 凯斯·莫法特回忆道。因为对他来说，熟鸡蛋的旋转是一件再普通不过的事情了：将鸡蛋放在沸水中煮十分钟，注意保持蛋壳的完整。煮熟后，把鸡蛋平放在桌面等略微粗糙的平面上，用拇指和中指捏住，让它快速旋转起来。多试几次，手法熟练之后，您就会发现一个令人惊奇的现象，鸡蛋在水平方向自转数圈之后，突然会以一端站立起来，继续竖着转动！

物理学家的古老难题

熟鸡蛋的这一绝活是一个奇怪的物理现象，生鸡蛋就无法做到这一点。当旋转的鸡蛋竖立起来，其重心位置提高，随之增加了鸡蛋的势能。而通常的情况恰好相反，自由运动物体的势能一般会逐渐减少，比如说，一个圆球沿着斜面向下滚动，总会在高度最低的位置到达静止的力平衡状态。那次讲座过后不久，横滨Keio大学物理系教授 Yukata Shimmomura拜访了凯斯·莫法特。这位日本学者也出席了那次讲座，熟鸡蛋旋转问题引起了他的浓厚兴趣。他利用业余时间试图解答这道简单的“大学生试题”，但却没有成功。凯斯·莫法特看了日本学者的研究资料之后，才发现熟鸡蛋旋转原来是一道好几个世纪以来一直令物理学家困扰不已的棘手难题！爱尔兰物理学家杰莱特1872年在其主要研究陀螺的著作《论摩擦原理》中，首次提到了熟鸡蛋的旋转。凯斯·莫法特和日本学者由此展开合作，他们认为，鸡蛋和桌面之间的摩擦力使得鸡蛋的对称轴在旋转时从水平方向转变为垂直方向。

传媒反应立竿见影

换句话说，摩擦使鸡蛋的侧面在旋转时发生轻微的摆动。而生鸡蛋内的蛋清和蛋黄则会吸收这些能量，自身开始运动。这一解释听起来显得相对简单了些。2002年3月复活节的前几天，凯斯·莫法特和Yukata Shimmomura在著名的《自然》科学杂志上共同发表了他们的研究结果。这篇题为《破解鸡蛋旋转之谜》的文章仅长两页，写满了各种方程。凯斯·莫法特坦率地说道：“仅仅用两页的篇幅和十六个方程式来阐述这一现象的原理，实在是一次壮举。实际上，我们在初稿中计算了不下三百条方程式！”

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