把声音调大，星星就倒着转

声音可以把东西托起来。在一个振动的变幅杆和一个反射器之间，强烈的超声驻波会形成一些位置，让小物体——液滴、薄膜、颗粒——悬浮在半空中，不接触任何东西。这项技术正被开发用于化学和药物分析，以及组装微小结构。

它有一个顽固的怪癖：悬浮的物体常常自己旋转起来。对一些特定情况已有解释，但还没有一条普遍规律能说明物体何时会转、朝哪个方向转、转得多快。

弯臂的星星

奥地利科学技术研究所（ISTA）的Sue Shi、Scott Waitukaitis及其同事搭建了一台工作频率约为51千赫的声悬浮装置，蓝宝石反射器安装在一个精密万向架上，使声场可以非常精细地对准。他们用3D打印制作了200微米厚的荧光颗粒，每颗都能放进一个1毫米的圆内，并以每秒3000帧的速度从下方拍摄。

第一个结果与对称性有关。在对准良好的声场中，三角形、正方形、五边形以及直臂星形——这些在镜子里看起来一模一样的形状——从不旋转。而“手性星”（各条臂都朝同一方向弯曲）一浮起来就开始旋转，在几百毫秒内达到稳定转速。弯曲决定方向；把星星翻过来，它就朝另一个方向转。故意让反射器倾斜，连正方形也会旋转：自发旋转需要对称性被打破，无论是在物体上还是在声场中。

臂越多，行为越怪

直觉告诉我们，臂越多，接收的声音越多，声音越大，推力越强。但对每种星星三个几乎相同的样品所做的测量却并非如此。

• 3条和5条臂：随着换能器电压升高（声压也随之升高），它们转得越来越快。
• 7条臂：在12–13伏附近转得最快，然后减速。
• 10条臂：在7–8伏附近转得最快，然后减速、停下，并朝另一个方向旋转。
• 12条臂：同样的过程，但来得更早——峰值在7伏，在10伏附近反转。

转得最快的星星可达每秒约50圈。

双项配方

为了解释这一现象，团队让驱动扭转——也就是声音施加的旋转推力——与空气摩擦相互平衡。二者都写成声振幅的简单幂次：扭转包含一个主项，外加一个增长更快的修正项；摩擦则随振幅增大。摩擦不是猜出来的：它是通过观察每颗星星在电压突然阶跃后多快稳定下来而测得的：声场在大约十毫秒内就达到新的数值，而星星要花约183毫秒才重新稳定到它的转速（12臂星从7伏跳到8伏），这段滞后只能来自空气阻力——并在零振幅处根据星星的形状计算得出。这样每种形状只剩下两个自由参数，得到的曲线能拟合每一颗星星，从稳定加速到完全反转。

拟合结果讲述了一个一致的故事。臂越多，在低音量下推力越强，所以臂密集的星星起步更快。但它们也带来一个不断增强的反向贡献，在高音量下占了上风——一旦它占上风，星星就会反转。反转电压遵循一个简单公式：V* = 1/√(−α)，只要修正项与推力方向相反，α就是负的：它的绝对值越大，反转来得越早。

一颗专为切换而设计的星

真正的考验是预测。团队设计了一颗混合星：一半取自顺时针弯曲的4臂星，另一半取自反方向弯曲的10臂星。把两半的预测曲线相加，得出一个预报：在10臂那一半占主导的低音量下逆时针旋转；在高音量下顺时针旋转。打印出来的混合星恰恰如此——7伏时逆时针，9伏时静止，11伏时顺时针——在预测的电压下发生了反转。

一股不请自来的力

该模型描述了这股反向推力，却没有说明它从何而来。作者表明，它不可能来自常规的声辐射力理论，因为在那一理论中，每种效应都随声压的平方增长：那么随着声音增大，所有这些贡献之间的比例始终不变，旋转方向也就永远不可能翻转。一定有某种更高阶的东西在起作用，而且相邻的臂靠得越近，它就越强——也许是相邻臂之间通过声音和空气产生的耦合。下一步是测量或模拟旋转星星周围的气流。与此同时，颗粒的形状已经成为一种编程其旋转方式的手段。