《华尔街日报》：热巧克力的诱人声响

插图：托马斯·瓦伦塔物理学家海伦·切尔斯基探索日常现象背后的复杂科学。阅读更多专栏请点击这里。

当仲冬的阴郁笼罩着节日假期的最后时光，我发现寒冷与黑暗被一个补偿性因素所抵消：热巧克力季到了。我是个毫不掩饰的热衷者，尤其因为我不常喝咖啡或茶，因此多年来我花了很多时间将巧克力碎片或粉末搅拌进热牛奶或水中。你可能会认为融化碎片的版本在各方面都更胜一筹，但即使是最便宜的巧克力粉也有个小诀窍：仅凭声音就能告诉你饮品何时准备就绪。

当你将粉末搅拌进热液体时，金属勺在杯内碰撞发出的叮当声非常熟悉。但试着从外部用勺子轻敲杯底。一旦倒入颗粒，音高就会下降，通常至少降低一个八度；然后在大约20秒内逐渐回升至原来的音高。这是一个戏剧性的变化，却找不到可见的解释。

第一个问题是这声音究竟是什么。搅拌时通常听不到它，因为当勺子在杯内叮当作响时，你主要听到的是杯子本身，而杯子并没有变化。你必须轻敲杯底才能听到变化。这是了解液体内部发生情况的方法。

每次轻敲杯底，声波会向上传递至液体表面，随后向下反弹并在杯底再次反射。当声波的波长恰好是液体底部到顶部距离的四倍时，会产生最强烈、最清晰的声音，沿着饮品的深度上下回荡。你所听到的音高由声波传播速度决定。而巧克力粉中携带的微小气泡——这些空气囊泡在释放时会干扰声速。

无论气泡存在于颗粒内部还是外部，关键在于它们的可压缩性。众所周知水难以被压缩：即便潜入海洋最深处，10立方公里海水的巨大重量仅能将底部水体压缩约5%。但只要在水中混入极少量气泡，液体的可压缩性就会骤然提升。

声波在这种可压缩水体中的传播速度大幅减缓，因此声音的传播速度和音高都会明显降低。当液体旋转且颗粒溶解时，释放的气泡会上升至表面破裂，使液体逐渐恢复原有的高速传声状态。这就是为什么一两秒后你会听到音高回升——那些肉眼不可见的微小气泡正在从杯中逃逸。待粉末完全溶解后，气泡便很快消失。

出于好奇，我尝试测量能产生的最大音高差：将速溶咖啡颗粒（原理相同）堆入一大杯沸水中，结果获得了整整三个八度的音高变化。每个降低的八度意味着声速减半，这表明由于这些微小气泡的存在，声速从常规的每小时3470英里骤降至八分之一，仅剩微不足道的每小时433英里。

当我们用粉末制作热巧克力或速溶咖啡时，这种声音速度的变化总是存在的。但你必须以正确的方式轻敲，才能听到气泡的诉说。我鼓励你自己动手实验。从此，制作热饮将变得与众不同。

本文曾以《热巧克力的搅拌声》为题发表于2023年1月14日的印刷版中。