物理

香檳泡泡的金色魔力

到底香檳泡泡是如何形成?
它如何在上浮、迸裂的過程中帶動香氣?

撰文/李傑–貝拉(Gerard Liger-Belair,法國藍斯香檳阿丹尼大學副教授)
翻譯/陳義裕(美國加州理工學院物理博士、台灣大學物理系教授)

物理

香檳泡泡的金色魔力

到底香檳泡泡是如何形成?
它如何在上浮、迸裂的過程中帶動香氣?

撰文/李傑–貝拉(Gerard Liger-Belair,法國藍斯香檳阿丹尼大學副教授)
翻譯/陳義裕(美國加州理工學院物理博士、台灣大學物理系教授)

氣泡品質茲事體大


開瓶香檳,為自己倒上一杯,然後啜飲一口吧!那翻騰的氣泡上浮、迸裂,在液面發出優雅的嘶嘶聲,把上千個金色泡泡拋入空中,同時也釋放出酒中那撩人鼻息、鼓動味蕾的香醇。伴隨那滿口芳香、清涼沁透脾胃卻又暖人心窩的酒氣,微小金色泡泡譜出了節奏輕快的交響曲。而這,正是法國東北香檳區典型氣泡酒的迷人之處,也是世界各地慶典中不可或缺的一員。


沿著玻璃杯壁一列列緩緩上升的氣泡,就像是許多迷你的熱氣球一樣,這是一瓶好香檳的眾多特質之一。在滿盈香檳的笛形杯裡,氣泡升至酒液平面之後,就會形成一個項圈般的環(collerette)。雖然沒有任何科學證據顯示香檳的品質和氣泡的大小有什麼連帶關係,人們還是把兩者聯想在一起。由於確保香檳能有氣泡翻騰的傳統特色是一件攸關生意的大事,因此對於香檳釀酒廠來說,製造出極緻完美的小泡泡就至為重要了。有鑑於此,數年前我和法國藍斯香檳阿丹尼大學以及「酩悅香檳」(Moet & Chandon)酒廠的幾位研究夥伴,便決定來研究碳酸飲料中氣泡的行為。整個氣泡生命史裡包含許多因素,我們的目標是要決定、描述並進一步了解這些因素各自扮演的角色。在玻璃杯中斟滿了氣泡酒、啤酒或汽水,然後進行這種簡單卻仔細的觀察,竟在視覺上展現出它從未被發掘的迷人現象。我們最初的研究結果專注在氣泡生命史中的三個主要階段︰氣泡的生成、上浮,以及迸裂。


氣泡的生成


在香檳、氣泡酒以及啤酒中的氣泡,主要是由二氧化碳所形成,這是由於糖在經過酵母菌發酵後,會轉換成酒精及二氧化碳分子。但是汽水之類的飲料之所以會發出嘶嘶聲,則是工廠將之碳酸化的結果。在裝瓶或裝罐後,溶解在液體中的二氧化碳會依循亨利定律(Henry's law),與軟木塞、瓶蓋或拉環下的氣體達到平衡;這個定律說明,在平衡時,氣體溶解於液體中的數量,會和氣體的壓力成正比。


打開一個瓶罐,液面上二氧化碳氣體的壓力就會急遽下降,破壞了原先已達到的熱力學平衡;如此一來,液體中的二氧化碳分子便呈現過飽和狀態(supersaturation)。為了要與大氣壓力重新取得平衡,二氧化碳分子就必須從這個呈過飽和狀態的液體逃逸。而當我們把飲料倒入杯中時,有兩個機制會讓溶解的二氧化碳逃離:從液體的表面擴散出去,或是形成氣泡。


但是,若要群聚這些溶解的二氧化碳,使氣泡誕生,這些氣體分子就必須擠開周圍那些受到凡得瓦力(van der Waals force,一種偶極吸引力)強力牽繫在一起的液態分子,因此氣泡的形成會受到這個能量障礙的牽制。然而,要克服能量障礙所需達到的過飽和比例,根本就超過氣體溶解於碳酸飲料中的量。


這樣一來,要在只稍稍過飽和的液體中(包括香檳、氣泡酒、啤酒及汽水皆是如此)形成氣泡,就必需要有事先存在的氣體空腔,而且空腔的曲率半徑必須大到足以克服這個成核作用(nucleation)的能量障礙,氣泡才可以自由地成長。之所以會如此,完全是因為氣泡表面的曲率會影響到它內部氣體的壓力,而根據拉普拉斯定律(Laplace's law),氣泡內外的壓力差會和氣泡半徑成反比,也就是說,氣泡越小,裡面的壓力就越大。若低於某個臨界半徑,空腔內部的氣體壓力過大,便會阻止液體中溶解的二氧化碳擴散到空腔裡。對新開瓶的香檳來說,這個臨界半徑約略是0.2微米。


為了要仔細觀測氣泡產生的位置(或稱為「氣泡溫床」),我們把裝有顯微鏡頭的高速攝影機對準數百串氣泡的底部。和一般想法相反的是,這些成核點(nucleation site)並非坐落於玻璃杯表面不規則的坑洞裡,因為它們的寬度遠低於氣泡形成所需要的臨界曲率半徑。其實啊,這些氣泡溫床根本就是附著在玻璃壁上的雜質,大部份是中空且呈圓柱狀的纖維,它們是從空氣中掉落,或者是在擦拭玻璃杯的過程中遺留下來的。由於這些外來粒子的幾何形狀無法被飲料完全沾濕,所以在杯子斟滿時就可以包住一些氣袋(見右圖)。


在氣泡的形成過程中,溶解的二氧化碳分子會跑進這些微小的氣袋中,最後就長成一個肉眼可見的氣泡。氣泡受到毛細力的拉扯,起初一直停留在成核點,隨後這個氣泡所受的浮力會不斷增大,最後從成核點分離出來,而這也提供了讓另一個新泡泡形成的契機。同樣的過程會不斷重複,直到溶解的二氧化碳都用盡,氣泡也就不會再繼續產生了。