文／白晝不想睡覺　

去夜市看到炸杏鮑菇的攤位時，常常會看到一旁有一鍋加熱到一、兩百度的食用油。仔細觀察，熱油似乎是從幾個固定的地方噴湧而出，然後在某處下沉。這時如果你撒了把粉末進這鍋油時（當然請不要在夜市這麼做），你會發現這些粉末確實會在固定地方上升、下沉，形成一個很像「細胞」狀的結構，而這種現象就被稱為「瑞立熱對流（Rayleigh-Bénard convection）」。

密度改變 來自浮力



這個現象最初是被瑞立（Rayleigh）在20世紀初時發現並解釋，他推論這種熱對流是來自於「浮力」，當液體的熱傳導不夠快速，使得下面加熱處與上方表面處溫差大到一定程度時，下方液體就會因為「熱膨脹」使得密度下降，液體開始上升；上方則會因為密度較大的關係下沉。而這種對流會對一開始的細微條件非常敏感。一但受熱不均，使得特定區域溫度較高時，對流就會在那個地方先啟動，構成細胞的中心。

這個浮力的解釋乍聽之下相當合理，可惜卻有個理論上的小毛病，就是對流總是在「實際溫差」比「理論溫差」還要小的情況就發生了。這代表必然還有其他效應會影響到這個熱對流。

1958年，皮爾森（Pearson）發表一篇重磅級的論文，說明除了浮力以外，「表面張力」也是影響這個現象的主因之一。在空氣與液體交界的表面存在表面張力，而當溫度較高時，表面張力就會變小；溫度較低時，表面張力就會變大。因此表面張力比較小的地方，很容易就會被較大的地方「拉開」了，構成了細胞的中心處。而細胞中心因為液體減少了，因此下方的液體就會自然而然的上升了。

差距巨大

混亂現象



在真實世界中，事實上是兩個效應共同作用造成了瑞立熱對流。這是個可以在家做的小實驗：準備一小盆油，均勻攪入一些粉末後（筆者實測矽油加珠光粉效果最佳），在底部加熱後即可以觀察到這個現象。但是如果你真的去嘗試的話，就會發現每一次做的時候，細胞的圖形與分配都會不一樣，而這就是前文有暗示的「微小誤差造成的結果巨大差異」。

一但液體中某些部分受熱較快，就會導致在那個地方的對流先啟動。這個「較快」很可能是短至一秒以內的事情，筆者用紅銅板與均溫加熱台，在幾乎完全一模一樣的環境下，卻也做出了截然不同的結果。

在自然界中，對這種初始條件（initial condition）相當敏感（sensitive）的現象，稱作混亂（chaos）。科學界，尤其是流體動力學目前最常在研究的，就是這種混亂的現象。而這種瑞立熱對流就是一種生活中最常見的混亂之一！