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肥皂泡的光学和力学性质,有关肥皂泡的魔术

生活经验肥皂泡

请想象一条大河流到三角洲的情景：在那里，主河道分裂成几条支流，支流往前流，又分裂成更小的支流……这跟一盆水泼到地上，一下子就散开大异其趣 。这一现象被称为分支流动 。科学家之前已经在电流、海浪和声波的传播中都观察到了 。最近，以色列物理学家又首次在可见光中观察到分支流动现象——而这一切只需要一束激光和一个肥皂泡 。不过，器材虽然简单 ， 做这个实验有一定的挑战性 。

肥皂泡的光学和力学性质,有关肥皂泡的魔术

文章插图
肥皂膜是夹在两层表面活性剂（去垢用的化学物质）分子之间的一层非常薄的液体膜 。膜的厚度变化很大 ， 从大约5纳米到几微米不等 。这种厚度的变化正是肥皂泡在阳光下会产生五彩斑斓图案的原因；而且受周围气流的影响，膜上任何一点的厚度都在时刻变化，这又导致图案瞬息万变 。
在现在这个实验中，你需要用一束激光照射肥皂泡 ， 但并不是让你从外到内垂直地射穿肥皂膜——这太简单了 。如果把膜的剖面形容成一块三明治，上下两层是表面活性剂分子，中间是水层，那么现在你得先用一根细小的光纤插入肥皂膜的水层，然后让激光束平行地沿着水层照射 。于是你将看到：激光束在肥皂泡的曲面上，先是分成了几道 ， 每一道在往前传播的时候，又分裂成更细的光束……原先科学家以为，由于膜的厚度的随机性 ， 激光束会一下子就分散成一个个小斑点，类似水泼到地面的情况 。
上面只说到水对光的影响，其实这个作用是相互的，水对光有作用，反过来光对水也有作用，只不过光的变化容易被看到，而不发光的水发生的变化，不容易被察觉而已 。因为我们知道，光是由一个个光子组成的 。光子打在物体上，就像乒乓球打在墙壁上一样，会对物体产生作用力 。当物体是膜上的分子时尤其明显 ， 可以使分子移动位置 。所以，通过控制激光束的强度，可以局部控制水的流动 。
【肥皂泡的光学和力学性质,有关肥皂泡的魔术】这一现象或许还可以用来研究广义相对论 。广义相对论认为，大质量天体会让它周围的时空弯曲 。如果天体在自转，甚至还可以拖曳周围的时空一起转动，就像你用一根筷子搅面糊糊一样，产生螺旋形的漩涡 。从这里你可以看到，虽然时空不是一般意义上的流体，但表现得很像流体 。在本文介绍的这个实验中，既然光可以改变流体的流动，那么我们也不妨好奇地问一句：光的传播会不会改变时空的“流动”呢？或者，在强引力场中，光的分支流动现象会不会发生呢？如果情况属实，那将是一个了不起的发现 。


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