飞沫和肺结核

数千年来，结核病一直是困扰人类的顽疾。最早的肺结核病人是一具死于公元前2400年的古埃及木乃伊。公元前240年，医学之父希波克拉底（Hippocrates）就已描述了与肺结核相关的病症，中世纪欧洲王室还曾积极寻找治愈淋巴结核的良方。

工业革命以后，城市人口增多，肺结核开始在城市的贫民区中盛行。19世纪40年代，肺结核的死亡人数占了英格兰和威尔士总死亡人数的1/4。直到1882年，人们才找到了引发肺结核的罪魁祸首。它是一种微小的细菌，名叫“结核分枝杆菌”。查尔斯·狄更斯（Charles Dickens）曾描写过肺结核流行时人人咳嗽的场景，但他无法描述这种疾病最重要的特征，因为这一点他根本看不见。肺结核是通过空气传播的，患者每一次咳嗽都会从肺里喷出数千颗细小的液滴，部分液滴中包含着微小的结核杆菌，这些细菌的长度只有1毫米的3/1000。刚刚离开人体的液滴较大，直径可能有零点几厘米。这些液滴在重力的拉扯下向下坠落，落到地板上以后，它们就哪儿都去不了了。但是，液滴坠落的过程非常缓慢，因为除了液体以外，空气也拥有黏性——物体在空气中移动时必须奋力向前推挤。向下坠落的过程中，液滴不断遭到空气分子的碰撞和推挤，这又延缓了它的速度。正如牛奶的黏性拖慢了奶油的上升速度，这些液滴向下坠落的旅程同样也会受到空气黏性的阻挠。

但它们不一定下坠。液滴的主要成分是水，刚被喷出来几秒钟，这些水会蒸发。原本还算饱满的液滴萎缩变小，它受到的重力也会随之减小，很难与空气黏性抗衡。如果说原来的液滴是一颗携带着结核杆菌的水珠，那么现在它就变成了结核杆菌与有机杂质的混合物。对于新形成的微粒来说，它受到的重力已经不足以抵消空气阻力，所以它只能随风飘动。就像均质乳化的牛奶中那些细小的脂肪球一样，结核杆菌随波逐流。如果它正好降落在某个免疫系统功能较弱的人身上，那么就可能繁殖出一个新群体并逐渐发育壮大，直到新的细菌做好再次出发的准备。

只要有对症的药物，肺结核是可以治愈的。所以时至今日，西方世界里几乎已经没有肺结核病人了。不过就在我写作本书的年代，对人类来说，结核杆菌仍是仅次于艾滋病的第二号杀手，也是一些发展中国家面临的严峻挑战。2013年有900万人感染结核杆菌，其中150万人因此丧命。这种细菌会针对抗生素进行变异，产生极强的抗药性，无法对抗它的抗生素越来越多。医院和学校时不时会暴发疫情。近年来，病人喷出的微小液滴渐渐变成了人们关注的焦点。与其等到人们得了肺结核以后再去治疗，何不想办法从源头切断这种疾病的传播路径？

卡斯·诺克斯（Cath Noakes）教授就职于利兹大学（University of Leeds）土木工程系，她对这方面的课题很感兴趣。深入研究飘浮微粒的性质，由此找出相对简单的解决方案，这是卡斯关注的重点。现在，她和其他工程师正在研究携带病菌的微粒如何运动，结果他们发现，这些微粒的运动轨迹与它们的成分或者存在的时间几乎完全无关。微粒的运动完全取决于各种力的综合作用，而这场战争的关键在于粒子本身的尺寸。人们发现，那些最大的液滴运动的距离远远超过我们的想象，因为空气中的湍流会帮助它们悬浮在空中。 最小的液滴能在空气中停留好几天，不过紫外线和蓝光会破坏它们的活性。知道了粒子的大小尺度，你就能推测出它们可能的去向。所以，如果你正在为医院设计通风系统，那么你就能根据这方面的原理去驱赶或保留特定大小的微粒，从而控制疾病的传播。卡斯告诉我，每种通过空气传播的疾病都有自己独特的进攻方式，具体取决于致病所需的病原体数量（比如，极少量的麻疹病毒就能让人发病）以及疾病侵袭的身体部位（比如，结核杆菌在肺里和在气管里产生的效果是不一样的）。这方面的研究才刚刚起步，不过发展速度很快。

数千年来，在与结核杆菌的战斗中人类一直处于下风，不过现在，我们可以直观地看到病菌的传播，这为控制疾病提供了绝佳的机会。我们的祖先只知道病人的房间里弥漫着酸臭的气味，仿佛有神秘的瘴气充斥其中。现在，我们知道病人会让空气变化，知道携带病菌的微粒会不断运动、分流，也明白这最终会造成什么结果。这些研究的成果将纳入未来医院的设计之中，通过宏观工程影响微观粒子的举措将拯救成千上万条生命。

小体积物体在单一流体中运动时必须考虑黏性的影响。牛奶里上浮的脂肪球和空气中坠落的病毒微粒都是这样。在微观世界里，黏性还有一位形影不离的伙伴——表面张力，它主要作用于两种不同流体发生接触的场合。对我们来说，最常见的就是空气与水接触，气泡就是个最佳范例。 我们不妨从泡泡浴开始讲解这个问题。 20NEXPoMiFif4MWRKXOqInOEDMOHLEUrcPVVWIZpd3g+FnMnseBDz9Z0H1QZloH4