开尔文勋爵错了吗？3D打印的形状让人对他150年前的理论产生怀疑

　　历史上最伟大的物理学家之一开尔文勋爵提出的一个有着 150 年历史的关于超凡脱俗的形状的理论终于受到了考验——他的猜想现在受到了质疑。

　　1871 年，威廉·汤姆森，通常被称为开尔文勋爵——一位著名的英国物理学家，对电磁理论、热力学、导航和以他的名字命名的绝对温度系统做出了重要贡献——提出了一个关于奇怪的假设形状的理论，他称之为各向同性螺旋体。

　　该形状类似于一个球体，其表面有许多突出的鳍状物，从任何角度看都相同（各向同性）。开尔文认为，如果浸入水中并任其下沉，螺旋体应该像微型螺旋桨一样旋转。

　　但是，由两位物理学教授——康涅狄格州卫斯理大学的 Greg Voth 和瑞典哥德堡大学的 Bernhard Mehlig 领导的一项新实验对 Kelvin 的预测提出了质疑。通过根据 Kelvin 的指示 3D 打印五种不同的各向同性螺旋体，然后将它们放入硅油中，该团队发现这些形状在坠落时并没有旋转。

　　根据 Voth 的说法，开尔文的理论与有记录的实验之间的 150 年滞后可能是后来科学家甚至开尔文本人故意遗漏的结果。开尔文可能设计了螺旋面概念来更好地理解他的早期理论之一：原子涡旋理论。该理论将原子描绘成在称为以太的宇宙介质中稳定的、打结的漩涡——该理论长期以来一直受到质疑。

　　“但是当实验没有成功时，开尔文可能已经悄悄地放弃了它。”Voth 推测。

　　“在开尔文的手稿中，他明确描述了如何制造各向同性螺旋体，包括使用的材料，这表明他创造了一个。”沃斯告诉 Live Science。“我个人怀疑开尔文和其他人已经制造了各向同性螺旋体，并观察到测量的平移——旋转耦合是由制造质量的限制决定的，因此，他们没有公布他们的测量结果。”

　　为了弄清楚究竟是什么让他们的实验与开尔文的预测相混淆，该团队分析了他们水箱中的流体如何围绕他们的螺旋体流动。

　　他们发现开尔文实际上是正确的——螺旋体通过流体的运动与其旋转之间存在耦合或关系。当形状通过硅油下沉时，由围绕形状体流动的油颗粒引起的摩擦，从一个螺旋面的风扇引导到下一个，应该会使其受到一个力，使其旋转，并且它下降得越快，它应该旋转得越快。

　　但是运动和旋转之间的耦合太弱，无法产生明显的可测量效果，或者螺旋体在移动时根本无法旋转。开尔文已经确定了这个理论，但他可能夸大了效果的强度。

　　据研究人员称，这可能是因为螺旋面上只有少数翅片或叶片通过将流体流相互引导而相互作用——不足以转动螺旋面。

　　既然他们已经在实际实验中评估了螺旋面如何旋转（或不旋转），研究人员正计划利用精密制造技术创造一种新的螺旋面，以消除任何缺陷。他们还想调整 Kelvin 的设计，以放大运动和旋转之间的任何耦合。如果他们成功了，他们终究可以证明开尔文是正确的。

　　“到那时我们将继续寻找可能增加耦合的形状。”Voth 说。“制造什么样的形状的理论和计算指导将是必不可少的，因为这些复杂的 3D 形状的精密制造具有挑战性。”