肥皂泡上的光學(xué)魔術(shù)

貝莫亭

請(qǐng)想象一條大河流到三角洲的情景：在那里，主河道分裂成幾條支流，支流往前流，又分裂成更小的支流……這跟一盆水潑到地上，一下子就散開(kāi)大異其趣。這一現(xiàn)象被稱為分支流動(dòng)。科學(xué)家之前已經(jīng)在電流、海浪和聲波的傳播中都觀察到了。最近，以色列物理學(xué)家又首次在可見(jiàn)光中觀察到分支流動(dòng)現(xiàn)象——而這一切只需要一束激光和一個(gè)肥皂泡。不過(guò)，器材雖然簡(jiǎn)單，做這個(gè)實(shí)驗(yàn)有一定的挑戰(zhàn)性。

肥皂膜是夾在兩層表面活性劑（去垢用的化學(xué)物質(zhì)）分子之間的一層非常薄的液體膜。膜的厚度變化很大，從大約5納米到幾微米不等。這種厚度的變化正是肥皂泡在陽(yáng)光下會(huì)產(chǎn)生五彩斑斕圖案的原因;而且受周圍氣流的影響，膜上任何一點(diǎn)的厚度都在時(shí)刻變化，這又導(dǎo)致圖案瞬息萬(wàn)變。

在現(xiàn)在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，你需要用一束激光照射肥皂泡，但并不是讓你從外到內(nèi)垂直地射穿肥皂膜——這太簡(jiǎn)單了。如果把膜的剖面形容成一塊三明治，上下兩層是表面活性劑分子，中間是水層，那么現(xiàn)在你得先用一根細(xì)小的光纖插入肥皂膜的水層，然后讓激光束平行地沿著水層照射。于是你將看到：激光束在肥皂泡的曲面上，先是分成了幾道，每一道在往前傳播的時(shí)候，又分裂成更細(xì)的光束……原先科學(xué)家以為，由于膜的厚度的隨機(jī)性，激光束會(huì)一下子就分散成一個(gè)個(gè)小斑點(diǎn)，類似水潑到地面的情況。

上面只說(shuō)到水對(duì)光的影響，其實(shí)這個(gè)作用是相互的，水對(duì)光有作用，反過(guò)來(lái)光對(duì)水也有作用，只不過(guò)光的變化容易被看到，而不發(fā)光的水發(fā)生的變化，不容易被察覺(jué)而已。因?yàn)槲覀冎溃馐怯梢粋€(gè)個(gè)光子組成的。光子打在物體上，就像乒乓球打在墻壁上一樣，會(huì)對(duì)物體產(chǎn)生作用力。當(dāng)物體是膜上的分子時(shí)尤其明顯，可以使分子移動(dòng)位置。所以，通過(guò)控制激光束的強(qiáng)度，可以局部控制水的流動(dòng)。

這一現(xiàn)象或許還可以用來(lái)研究廣義相對(duì)論。廣義相對(duì)論認(rèn)為，大質(zhì)量天體會(huì)讓它周圍的時(shí)空彎曲。如果天體在自轉(zhuǎn)，甚至還可以拖曳周圍的時(shí)空一起轉(zhuǎn)動(dòng)，就像你用一根筷子攪面糊糊一樣，產(chǎn)生螺旋形的漩渦。從這里你可以看到，雖然時(shí)空不是一般意義上的流體，但表現(xiàn)得很像流體。在本文介紹的這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，既然光可以改變流體的流動(dòng)，那么我們也不妨好奇地問(wèn)一句：光的傳播會(huì)不會(huì)改變時(shí)空的“流動(dòng)”呢？或者，在強(qiáng)引力場(chǎng)中，光的分支流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)不會(huì)發(fā)生呢？如果情況屬實(shí)，那將是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)。