連日來，新冠狀病毒引發的肺炎疫情牽動著公眾的心。看到一批批逆行的白衣天使，不畏生死地衝上去，內心裡充滿了敬佩和感動。由於不是醫學出身，所以不能寫相關的文章，但這裡要與大家分享一些有關微觀世界中的物理學知識，這些知識有助於我們更好地理解微觀世界，也有助於我們更好地對抗疫情。
微觀世界對於大多數人來說完全是一個陌生的世界，那裡有一套運轉規則。我們熟悉的一些力在微觀世界依然有效，比如重力，但在微觀世界裡，發揮重要作用的是分子間作用力。主宰微觀世界的規則能夠解釋宏觀世界裡很多事情，比如茶杯中的水漬為什麼是一個圓圈、醫用棉籤為什麼能提取咽部的病毒標本、為什麼藥物要做成納米顆粒等等。
一、茶漬的形成原理
看上面那張茶盞中茶漬的圖片，不知道大家想過沒有，為什麼幹了之後的茶盞中，茶漬會形成一圈褐色的細線，而不是均勻地平鋪在茶盞的底部呢？
如果我們能夠在顯微鏡下觀察殘餘的茶湯，你會看到水分子正在樂此不疲地玩碰碰車，龐大的茶葉顆粒夾雜在這些分子中間。這就是我在文章《 》中介紹的布朗運動。
水分子是極性分子，它們之間的引力很強，如果有某個分子向液麵外凸出了一點，其它分子立即會把它拉回到大家庭裡。
這意味著水形成的頁面就像一張彈性的膜，下方的水一直在向下拉扯它，所以液麵永遠是光滑的。液麵的這種彈性就是“表面張力”。在茶汁的邊緣，液麵光滑地向下彎曲，與杯底相交，維持著殘餘茶湯的位置和形狀。
由於室內的溫度很溫暖，時不時有某個水分子離開液麵，以蒸汽的形式進入到空氣中。這個緩慢的過程叫做蒸發，蒸發出去的只有水分子，茶中的顆粒不會蒸發，繼續留在殘汁裡。
隨著越來越多的水分子蒸發到空氣中，奇妙的事情發生了。茶汁殘湯的邊緣在茶盞底部是固定的，而且邊緣處水分子的蒸發速度比其它位置快得多，因為這裡的水分子接觸空氣的機會更多。（這裡留一個思考題——為什麼邊緣的水分子接觸空氣的機會多？）
殘湯中央的茶汁必須不斷向外移動，去補充邊緣處蒸發掉的水分。水分子裹挾著茶葉顆粒向外運動，等到水分蒸發以後，無法蒸發的茶葉顆粒就留了下來。
在這個過程中，所有的茶葉顆粒 都慢慢地被搬運到殘湯的邊緣，等到水分子完全蒸發，留下來的就是一圈褐色的輪廓。
二、小蟲在空氣中飛翔的原理
茶葉顆粒在水中的移動速度能有多快？我們就需要考慮水的黏性了。黏性是衡量兩層流體之間的摩擦力。我們可以用勺子攪動一杯茶，隨著勺子的攪動，勺子周圍的茶湯會隨著旋轉，與茶杯裡的其它液體產生相對運動和摩擦。
水的黏性不高，所以不同層的液體可以比較輕鬆地相對流動。如果把茶湯換成蜂蜜，蜂蜜分子之間更加緊密，要讓它們發生相對運動，就必須打破分子之間的羈絆。所以攪動蜂蜜比攪動茶水困難很多。因此我們說，蜂蜜的黏性比較大。
如果我們仔細觀察茶湯我們會發現，茶湯的底部總會有一些比較大的顆粒，而那些小的茶葉組分其實也不是“溶解”了，只是它們體積太小，我們用肉眼看不到而已。
非常小的茶葉顆粒克服了重力的作用，在浮力和黏性摩擦力的作用下，均勻地分佈到整個茶湯中。而那些大的顆粒，浮力和黏性摩擦力不足以克服重力的作用，只能乖乖地留在茶杯底部。
所以，相同的力在不同層級上產生的效果完全不同。氣體與液體一樣都具有黏性。儘管氣體分子的間距很大，但其分子之間同樣在不停地相互碰撞。因此，螞蟻和鋼珠墜落的速度絕對不會完全相同，除非我們把它們墜落的環境抽成真空。
空氣的黏性會大大降低螞蟻墜落的速度，但不會對鋼珠造成太大的影響。如果我們抽掉了空氣，那麼重力就成為了唯一的影響因素，對於螞蟻和鋼珠來說都一樣。
體積比螞蟻更小的小蟲在空氣中飛行運用的技巧和我們在水中游泳時一樣。空氣的黏性主宰著小蟲周圍的環境。那些微小的昆蟲其實更像是在空氣中游泳，而不是飛翔。
小蟲在空氣中飛翔的原理能運用到很多地方。打噴嚏的時候，可以想象一下我們噴出的液滴的尺寸有多大。如果尺寸很小，那麼這些攜帶著病菌的液滴可能會一直漂浮在空氣中，很難墜落下去。
三、戴口罩的意義
老郭留意到，1月30日中國工程院院士鍾南山教授在接受媒體採訪時說，“新型冠狀病毒感染的肺炎主要還是通過飛沫傳染。”
由於我不是醫療專業的，雖然瞭解新冠病毒是如何通過粘膜入侵人體並自我複製的，這裡我也不能寫。我只能說一下新冠病毒通過飛沫傳播的物理過程。
新冠病毒可以通過空氣傳播，感染者的每一次咳嗽都會從肺內噴出數千顆細小的液滴，這些液滴中包含著微小的新冠病毒，這些病毒的大小隻有不到100納米，不到1毫米的萬分之一。
可能大家對這個尺度沒有什麼概念，我這裡舉個例子，假設一根頭髮的直徑是0.1毫米，把它徑向平均剖成10萬根，每根的厚度大約就是一納米。
剛剛噴出的液滴直徑較大，可能有幾毫米。這些液滴在重力的作用下向下墜落。落到地板上後，他們就不能移動了。但是，液滴墜落的過程非常緩慢，因為除了液體之外，空氣也擁有黏性，物體在空氣中移動時必須奮力向前推擠。
向下墜落的過程中，液滴不斷遭到空氣分子的碰撞和推擠，這就延緩了液滴下墜的速度。就如空氣中墜落的螞蟻，液滴同樣受到空氣黏性的阻撓。
但液滴並不一定下墜。液滴的主要成分是水，剛剛被噴出來的幾秒鐘，這些水會蒸發。液滴開始萎縮變小，它受到的重力也會隨之減小，但難與空氣黏性相抗衡。
如果說原來的液滴是一顆攜帶著新冠病毒的水珠，那麼現在它就變成了新冠病毒與有機雜質的混合物。對於新形成的微粒來說，它受到的重力已經不足以抵消空氣阻力，所以它會隨風飄動。
就像是在空氣中游泳的微小昆蟲那樣，新冠病毒隨風漂流。如果它正好落在某個免疫能力比較弱的人身上，那麼就可能繁殖出一個新的群體並逐漸發育壯大，直到新的病毒做好再次出發的準備。
這就是為什麼疫情爆發後第一時間，政府和醫務工作者會要求大家出門一定要戴好口罩的原因。因為與其等到感染了新冠病毒後再去治療，何不從源頭開始就切斷它的傳播途徑？
四、咽拭子與毛細現象
新冠病毒能夠通過呼吸道傳播，咽部是此類病毒聚集較多的地方。咽拭子標本就是用醫用的棉籤，從人體的咽部蘸取少量分泌物，採取的樣本就是咽拭子標本，為了檢驗疑似病例是否感染了新冠病毒，醫生利用棉籤，從疑似患者的咽部取得一些黏液標本。然後再拿去用試劑檢驗。
棉籤能夠蘸取黏液背後的原理就是表面張力的作用，水量越少，分子間引力就越不可忽視。在微觀層面，水的表面張力可以用來抽水。這裡不需要水泵、虹吸管和大量的能量。只要把東西做得足夠小，就能讓重力退居幕後，為表面張力留出大顯身手的舞臺。
醫用棉籤的材料是棉花，棉花可以吸水。在微觀層面，水分子牢牢地吸附在棉花纖維上，沿著每根纖維的表面緩慢爬行。由於水分子之間的引力很強，所以第一個接觸毛巾的水分子會把後面的一串水分子都拉上來。
水攜帶著咽部的其它成分，也包含各種病菌和病毒沿著棉花纖維迅速蔓延。水與棉花纖維之間的吸附力 非常強，重力無法與之抗衡。
棉籤真正能吸收大量水的原因並不在於此，它非常蓬鬆。如果單純依靠纖維接觸水層，那麼它就不會有這麼強的吸水能力。但由於棉球是蓬鬆的，所以棉花纖維之間會形成大量氣泡和狹窄的通道，水一旦進入這些通道就會被各個方向的纖維吸引。
由於通道很狹窄，所以每一滴水都會找到可以附著的表面。蓬鬆的特點拓展了棉籤的表面積，所以棉籤能吸收大量的水。
棉籤在吸收了咽部的黏液以後，微小的水分子在蓬鬆的棉籤中做熱運動。咽部黏液中的水分子會抓住棉籤中的水分子，跟著前進。已經進入到棉籤中的水分子會拉住旁邊的水分子努力保持自己的位置。剛接觸到棉花纖維的水分子會不顧一切地吸附在纖維上，帶著後面的水分子繼續跟進，向上填充結構之間的空隙。
而還留在咽部的水分子會繼續拉著下方的水分子，試圖與其他水分子一起凝聚成球，向上攀爬。這就是毛細現象。
五、藥品研發中的微觀物理學
納米技術是21世紀戰略技術的制高點，是在納米尺度對物質進行製備研究和工業化，利用納米尺度物質進行交叉研究和工業化的一門綜合性的技術體系。藥劑學領域中納米粒子的研究早於“納米技術”概念的出現，70年代即已經對納米脂質體、聚合物納米囊和納米球等多種納米載體進行了研究。涉及的給藥途徑包括注射、口服和眼部給藥等。
由於微觀世界的規則使得納米藥物具備傳統藥物不具備的一些優勢：納米級藥物載體可以進入毛細血管，在血液循環系統自由流動，還可穿過細胞，被組織與細胞以胞飲的方式吸收，提高生物利用率；納米載體的比表面積高，水溶性差的藥物在納米載體中的溶解度相對增強，克服無法通過常規方法制劑的難題。
同時，納米載體經特殊加工後可製成靶向定位系統，如磁性載藥納米微粒。可降低藥物劑量減輕副作用；延長藥物的體內半衰期，藉由控制聚合物在體內的降解速度，能使半衰期短的藥物維持一定水平，可改善療效及降低副作用，減少患者服藥次數；可消除特殊生物屏障對藥物作用的限制，如血腦屏障、血眼屏障及細胞生物膜屏障等，納米載體微粒可穿過這些屏障部位進行治療。
結束語
正如我們前面介紹的那樣，在微觀世界裡，表面張力、黏性和毛細現象佔據了主導地位，重力和慣性退居幕後，雖然我們無法用肉眼看到這些微觀過程，但是我們能夠看到結果，這些微觀現象也都是我們宏觀世界中的一個部分。
我們當然可以利用這些微觀世界的規則來改造宏觀世界。這些規則也可以應用於醫療領域，幫助我們阻斷病毒的傳播，改進醫院測試的設計，製造更容易吸收的藥品，拯救無數條生命。
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