香槟气泡的科学

用一瓶香槟举杯庆祝新年！它拥有起泡的嘶嘶声、金色的闪耀和炫目的开瓶方式，是当之无愧的庆典饮品。阅读有关香槟的制作、气泡的形成以及气泡图案背后的数学知识，并准备在今年冬天的迎新派对上展示一些美食家的知识。

制作过程

起泡酒只有产自同名法国地区才能称为香槟。法国东北部的香槟省拥有理想的土壤条件，这有助于提高葡萄的品质，从而提高香槟酿酒所产生的饮品的品质。香槟经过两段发酵过程。第一段发酵产生的是没有气泡的香槟酒。

接下来，向这种基酒中加入酵母和糖，然后密封瓶子。酵母消耗糖分，产生酒精以及每升液体约 10 克二氧化碳 [1]。在生产接近尾声时，打开瓶子，此时酵母和约 80% 的二氧化碳会从瓶子中排出。

看起来让这么多的二氧化碳逸出似乎是白费了酵母的辛勤工作，但液体中剩余的 20% 足以在单个香槟杯中产生 2000 万个气泡，每个气泡直径都不超过一毫米 [1]。一旦迅速重新密封瓶子，就可以出售了。

“砰”的一声

12 月 31 日晚上 11:59，许多人手中会拿着一瓶香槟，并期待着瓶塞射出的“砰”的一声；这是由瓶内压力积聚造成的。令人惊讶的是，在瓶子打开过程中所做的能量中，只有 5% 是瓶塞的动能，即推动瓶塞射向你叔叔眼睛的运动能量。

剩余的 95% 的能量产生了“砰”声的冲击波。当瓶塞弹出时，这种冲击波会引起一种类似蘑菇云的二氧化碳释放模式 [3]。蘑菇云之后从瓶子中升起的一股白雾是乙醇和水蒸气的混合物，这是由瓶子压力迅速释放时气体温度骤降触发的。由于发生的 [2] 速度，没有时间发生能量转移——加热。结果是绝热冷却。气体温度下降，导致气体中的水蒸气凝结 [3]。

气泡

天然起泡 — 香槟气泡的来源相当令人惊讶。这是由附着在玻璃上的微小纤维素纤维引起的静电力。这些纤维是从空气中沉积的，或者是擦拭玻璃后留下的。每根纤维长约 100 微米，在玻璃装满时会在内部形成一个气体袋。这些微纤维气体袋是气泡形成的位点。 '

要形成气泡，溶解的二氧化碳必须穿过由非常弱但丰富的分子相互作用结合在一起的液体分子。二氧化碳本身没有足够的能量来做到这一点，但纤维素纤维中捕获的气体袋降低了能量壁垒，使得气泡能够形成。二氧化碳不断地从香槟中沉积到气泡中，直到气泡达到约 10-50 微米 [1]，此时它的浮力足够大，可以从纤维上脱离并向上漂浮。

其位置立即形成一个新的气泡。人工成核 — 由于天然起泡非常随机且不易控制，玻璃制造商使用更易于复制的方法来产生气泡。玻璃制造商使用激光在玻璃底部刻蚀人工成核位点，以使起泡图案赏心悦目。他们通常会刻蚀至少 20 道划痕来形成一个环形，从而产生一致的上升气泡柱。

气泡图案

香槟在玻璃杯中的起泡模式实际上会随着时间而变化。气泡最初以成对上升的串的形式出现，然后逐渐过渡到成三组的气泡，最后稳定成时钟般规律间隔的单个气泡图案。法国香槟地区的一组物理学家进行了广泛的研究，以找出香槟气泡背后的科学以及气泡串形成的有趣图案。

这些图案是由成核点处捕获气体的振动速率以及外部气泡的生长速率决定的。这些因素受香槟表面大气压、温度以及玻璃中成核点大小等因素决定。香槟团队通过将气泡半径、气体囊的振荡频率以及两个连续气泡之间的时间间隔联系起来，得出一个复杂的方程来解释气泡流的差异化模式 [2]

R(Ti + 1) = Ro + Ecos(2πωFbTi + 1)

其中 Ro 是气泡在释放前的半径，Ti 是两个连续气泡之间的时间间隔，ω 是气体囊的振荡频率与气泡 (Fb) 的比率，E 与两个系统之间的相互作用有关 [2]。现在，通过科学解释了一些香槟的闪耀和“砰”声背后的奥秘，在下次重要场合，你就有机会给朋友留下深刻印象并开启话题了。

拿出计时器和坐标纸；观察杯子上一个成核点，并测量从两个气泡模式过渡到三个气泡模式的时间。肯定会有人问秒表是干什么用的。

关于作者

Elsbeth Sites 正在加州大学洛杉矶分校攻读生物学学士学位。她对 Food Network 的痴迷已经发展成对食物科学的热爱。 阅读 Elsbeth Sites 的更多文章