困扰科学家四个世纪之久的“鲁珀特之泪”谜团终于解开

“鲁珀特之泪”是一种形似蝌蚪的玻璃制品，“泪珠”部分异常坚硬，即使用锤子敲击也毫发无损。更让人啧啧称奇的是，如果它的尾部破碎（用手指就能捏碎），“泪珠”就会瞬间爆裂成粉末。这背后的原因困扰了科学家400年之久。现在，来自普渡大学、剑桥大学和爱沙尼亚塔林理工大学的一支研究团队终于找到了答案。

“鲁珀特之泪”是一种形似蝌蚪的玻璃制品，能承受锤子的敲击，但如果其细长的尾部破碎，就会爆裂成粉末

“鲁珀特之泪”也被称为“巴达维亚之泪”，出现于17世纪，当巴达维亚的鲁珀特王子把五颗这样的奇物献给英格兰的查理二世时，“鲁珀特之泪”开始声名大噪。1661年，这五颗“鲁珀特之泪”被移交给英国皇家学会以供研究，但经过四个世纪的钻研，“鲁珀特之泪”兼具高硬度与自毁易碎性的秘密，仍然没能解开。

“鲁珀特之泪”的形成是把热膨胀系数高的玻璃（比如钠钙或燧石玻璃）加热融化，然后滴入冷水中。融化的玻璃会立刻凝固成性质独特、带有尾巴的泪珠形状，这个淬火过程类似于制作现代智能手机屏幕所用的钢化玻璃。钢化玻璃直到19世纪才出现。

研究团队负责人、塔林理工大学教授希勒·阿本（Hillar Aben）与普渡大学工业工程教授斯里尼瓦桑·钱德拉塞卡尔（Srinivasan Chandrasekar）一道，利用光测弹性学来破解“鲁珀特之泪”。这种方法是把透明的3D物体浸泡在水中，让偏振光穿透而过。光在物体内部的偏振会随着应力线而改变，呈彩虹状。

1994年，钱德拉塞卡尔和剑桥大学物理学家穆纳瓦尔·乔杜里（Munawar Chaudhri）以每秒近100万帧的速度拍摄了“鲁珀特之泪”的爆裂过程，他们发现，当尾部破碎时，裂纹在其内部的扩散速度超过每小时6437公里。

研究显示，这种玻璃制品的抗压应力相当于每平方英寸50吨，这就好比某种钢铁的硬度。

研究人员说，这是因为“鲁珀特之泪”表面的冷却速度比内部的冷却速度要快，从而使表面对内部产生强大的抗压应力，但这种压应力被内部的拉应力抵消。

只要这些应力保持平衡，“鲁珀特之泪”就能保持稳定，可以承受巨大的外力冲击。通常来说，由于玻璃是过冷液体而非固体，表面的任何裂纹都会以音速扩散到内部，从而导致物体碎裂。

但“鲁珀特之泪”的内部和外部交界面把外力引向一边，所以裂纹无法扩散。不过，如果尾部破碎，尾部的浅裂纹就会沿着“鲁珀特之泪”的轴线，深入头部和交界面。这会造成巨大的破坏，使得原本平衡的应力被释放，导致“鲁珀特之泪”爆裂。

1994年用高速摄影机拍摄的“鲁珀特之泪”爆裂过程

“拉应力通常导致材料断裂，如同把纸撕成两半。”普渡大学的博士后研究员库什克·维斯瓦纳坦（Koushik Viswanathan）说，“但如果把拉应力变成压应力，裂纹就会难以扩散。‘鲁珀特之泪’的头部就是如此。”