肥皂泡只能用來吹？在肥皂膜中，物理學(xué)家看見瑰麗場(chǎng)景

分叉是生活中的常見現(xiàn)象，比如河流分支、樹木生長(zhǎng)。在微觀世界中，波也有分叉現(xiàn)象，我們稱之為“分支流”。但科學(xué)家從未觀察到光的此類現(xiàn)象，因?yàn)楣庥袕?qiáng)大的散射，很難匯聚。最近，一位博士生將激光照向美麗的肥皂泡，意外看到了光的分支流。這個(gè)由肥皂泡和激光束共同組成的光流體系統(tǒng)中的相互作用，和光與固體的相互作用很不同，這或許為理解自然界中的分支流現(xiàn)象提供了新的機(jī)會(huì)。

撰文 | 烏鴉少年

原標(biāo)題：《在肥皂膜中，物理學(xué)家第一次看見光的分支流》

光的散射是天空呈現(xiàn)一片蔚藍(lán)的原因。當(dāng)光穿過不均勻的介質(zhì)時(shí)，通常會(huì)向各個(gè)方向散射，要讓光匯聚起來是很困難的。然而，當(dāng)以色列理工學(xué)院的一位博士生將激光照向肥皂膜時(shí)，令人意外的事情發(fā)生了，這些光自然地匯聚成細(xì)絲，并且像樹枝一樣不斷分叉，形成了奇妙的分支流（branched flow）。

圖1. 光的分支流。| 來源：[1]

2001年發(fā)現(xiàn)的電子的分支流。| 來源：[2]

實(shí)際上，分支流現(xiàn)象普遍存在于自然界中不同波長(zhǎng)的波當(dāng)中，從石墨烯中速度達(dá)到相對(duì)論極限的電子，到聲波，甚至海浪?？茖W(xué)家早在2001年就觀察到了二維電子氣中的電子分支流，不過，這是人們第一次將這一現(xiàn)象擴(kuò)展到光學(xué)領(lǐng)域。相關(guān)研究以《對(duì)光的分支流的觀察》（Observation of branched flow of light）為題發(fā)表在近期的《自然》雜志上。

顯微鏡下的肥皂膜純凈的空氣可以讓光無阻礙地行進(jìn)，彌漫的大霧會(huì)將光散射掉，彩色玻璃則只會(huì)讓特定波長(zhǎng)的光透過，而吸收掉其余各種顏色的光——介質(zhì)的性質(zhì)決定了光波在其中的行為。此次實(shí)驗(yàn)中之所以能夠觀察到光的分支流現(xiàn)象，肥皂膜這種介質(zhì)的特殊性質(zhì)可謂功不可沒。

你一定幸運(yùn)地撞到過公園里小朋友吹出的五光十色的肥皂泡。當(dāng)太陽(yáng)光照射到肥皂膜表面時(shí)，會(huì)形成各種顏色的條紋和斑點(diǎn)，這是我們熟悉的薄膜干涉現(xiàn)象：一部分光被膜的上表面反射，一部分被下表面反射，兩束反射光相互干涉，由此在肥皂膜厚度不同的區(qū)域呈現(xiàn)出不同顏色。

這些普普通通的肥皂泡有何奇特之處呢？要了解這一點(diǎn)我們得深入微觀世界。從微觀上看，肥皂膜是兩層表面活性劑中間夾著一層水膜，由于表面活性劑分子的密度不同，膜的厚度可以在5納米到數(shù)微米之間平滑地變化。對(duì)于在薄膜中傳播的光線而言，這種厚度的變化會(huì)相應(yīng)地導(dǎo)致介質(zhì)的折射率發(fā)生變化，在較厚的薄膜中，折射率的變化比較小，但是當(dāng)薄膜厚度接近光的一兩個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，折射率的變化會(huì)相當(dāng)大，從而有效地散射肥皂膜中的光。

通過顯微鏡，我們可以清楚看到肥皂膜反射的光形成的彩色干涉圖樣，根據(jù)干涉圖樣與介質(zhì)折射率，進(jìn)而與肥皂膜厚度的關(guān)系，就可以計(jì)算出相應(yīng)的肥皂膜厚度的分布圖。可以看到，它們?nèi)绱蟮厣系纳椒搴蜕焦劝憔徛鸱?/p>

用于觀察光的分支流現(xiàn)象的肥皂膜。（上）肥皂膜表面的彩色干涉圖樣，（下）相應(yīng)的肥皂膜厚度的變化圖，圖中三個(gè)肥皂膜樣品的厚度在50-550納米之間變化。| 來源：[1]

肥皂膜厚度的變化是無序且隨機(jī)的，局部的漲落向著遠(yuǎn)處平滑漫延。因?yàn)檫@種特性，從很小的尺度看來，膜上一個(gè)位置的厚度變化與相鄰位置是非常接近的，不太可能出現(xiàn)太大偏離。如果延伸到一個(gè)非常大的尺度上，比如從膜的一邊到另一邊，這樣兩個(gè)位置的厚度變化則是完全獨(dú)立的，它們彼此之間毫無關(guān)聯(lián)。

在這兩種情況之間存在一個(gè)特征尺度，一旦超過這個(gè)長(zhǎng)度，兩個(gè)位置的厚度變化便不再相互關(guān)聯(lián)。在統(tǒng)計(jì)物理學(xué)中，我們稱這個(gè)特征尺度為關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度，關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度可以讓我們粗略地知道，在起伏不平的肥皂膜表面，那些隆起的山峰和凹陷的山谷大致是如何分布的。只有當(dāng)肥皂膜的關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度大于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，光的分支流現(xiàn)象才有可能出現(xiàn)。

肥皂膜上的激光舞表演要觀察到光的分支流非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的肥皂膜很不穩(wěn)定，甚至有可能突然破碎。實(shí)驗(yàn)中，為了觀察激光在肥皂膜內(nèi)部的傳播，研究人員將一根光纖插入經(jīng)過特殊處理而能保持不破碎的平面薄膜，讓激光從膜的兩層表面活性劑之間注入，與薄膜耦合。

由于激光在傳播過程中會(huì)部分地散射，我們可以實(shí)時(shí)地直接觀察到光波在薄膜中的傳播?？梢钥吹?，光波會(huì)因?yàn)楸∧ず穸鹊木植侩S機(jī)變化而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，聚焦成細(xì)絲，然后持續(xù)分叉，形成像樹枝一樣的美麗圖案。而且頗為違反直覺的是，盡管肥皂膜的厚度隨機(jī)變化，這些細(xì)絲在下一次分叉前并不會(huì)任意偏折，而是始終保持準(zhǔn)直。

在隔絕氣流干擾的情況下，肥皂膜可以穩(wěn)定地維持?jǐn)?shù)分鐘，用于觀察光在靜止的肥皂膜中的傳播。如果存在微弱的氣流，薄膜的厚度則會(huì)發(fā)生變化，使得干涉圖樣不斷移動(dòng)，這樣就可以看到不斷變化的分支流圖案。在有照明的情況下，我們可以同時(shí)看到光的分支流和通常見到的彩色干涉圖樣，這種景象就像是一條大河在起伏不平的山川間不斷分叉，形成眾多支流。

無照明的情況下，光波在薄膜中傳播形成分支流。| 來源：[1]【相關(guān)視頻請(qǐng)前往“返樸”觀看】

有照明的情況下，可以同時(shí)看到光的分支流和彩色干涉圖樣。|來源：[1]【相關(guān)視頻請(qǐng)前往“返樸”觀看】

除了平坦的肥皂膜，研究人員也觀察了光在半球形肥皂膜中的傳播。對(duì)于彎曲的肥皂膜，不僅薄膜厚度的變化會(huì)影響光的傳播，薄膜的整體曲率也會(huì)產(chǎn)生影響。

光在半球形的肥皂膜中傳播，形成彎曲的光分支流。| 來源：[1]【相關(guān)視頻請(qǐng)前往“返樸”觀看】

一次意外發(fā)現(xiàn)僅僅用激光和肥皂膜就能發(fā)現(xiàn)如此有趣的現(xiàn)象，這甚至超出了實(shí)驗(yàn)人員自己的期待。最初，以色列理工學(xué)院的博士生Anatoly Patsyk想要測(cè)量的是另一種截然不同的現(xiàn)象，在過程中他意外地觀察到了光的分支流，但在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，沒人能解釋他看到的現(xiàn)象。他和實(shí)驗(yàn)室的其他同事合作，升級(jí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，直到從諸多因素中找出肥皂膜厚度變化這一主要原因，才逐漸理解了背后的原理，這前后一共經(jīng)過了一年多時(shí)間。

這篇論文的通訊作者、以色列理工學(xué)院物理學(xué)與電子工程學(xué)教授 Moti Segev 說：“我總是跟我的團(tuán)隊(duì)說，要有想象力，思考一些新的東西，同時(shí)要實(shí)事求是地看待實(shí)驗(yàn)事實(shí)，而不是試圖調(diào)整實(shí)驗(yàn)以符合預(yù)期。”他們開放地面對(duì)自然帶來的意外，這一次，自然也給他們帶來了驚喜。

觀察到光的分支流為理解自然界中普遍存在的分支流現(xiàn)象提供了一個(gè)新的機(jī)會(huì)。尤其引人注目的是，作為此次實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的肥皂膜是一種流體，它和激光束共同組成了一個(gè)光流體系統(tǒng)（optofluidic system）。光流體學(xué)研究光與流體的相互作用，這和光與固體的相互作用具有根本不同。流體的流動(dòng)性、光可能對(duì)流體產(chǎn)生的作用、傳導(dǎo)熱量時(shí)擴(kuò)散和對(duì)流的作用，所有這些都會(huì)導(dǎo)致光流體系統(tǒng)中出現(xiàn)諸多復(fù)雜的非線性現(xiàn)象。由此看來，對(duì)于未來的相關(guān)研究，肥皂膜或許會(huì)是一個(gè)理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2376-8

[2] https://www.nature.com/articles/35065553

[3] https://www.nature.com/articles/d41586-020-01991-5

[4] https://www.sciencealert.com/physicists-have-observed-light-flowing-like-a-river-and-it-s-beautiful

[5] https://phys.org/news/2020-07-researchers-observe-branched-flow-of.html

[6] Jean-Louis Barrat, Jean-Pierre Hansen. Basic Concepts for Simple and Complex Liquids. (2003)