肥皂泡上的光學魔術

貝莫亭

請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，一下子就散開大異其趣。這一現象被稱為分支流動。科學家之前已經在電流、海浪和聲波的傳播中都觀察到了。最近，以色列物理學家又首次在可見光中觀察到分支流動現象——而這一切只需要一束激光和一個肥皂泡。不過，器材雖然簡單，做這個實驗有一定的挑戰性。

肥皂膜是夾在兩層表面活性劑（去垢用的化學物質）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光下會產生五彩斑斕圖案的原因;而且受周圍氣流的影響，膜上任何一點的厚度都在時刻變化，這又導致圖案瞬息萬變。

在現在這個實驗中，你需要用一束激光照射肥皂泡，但并不是讓你從外到內垂直地射穿肥皂膜——這太簡單了。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，那么現在你得先用一根細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候，又分裂成更細的光束……原先科學家以為，由于膜的厚度的隨機性，激光束會一下子就分散成一個個小斑點，類似水潑到地面的情況。

上面只說到水對光的影響，其實這個作用是相互的，水對光有作用，反過來光對水也有作用，只不過光的變化容易被看到，而不發光的水發生的變化，不容易被察覺而已。因為我們知道，光是由一個個光子組成的。光子打在物體上，就像乒乓球打在墻壁上一樣，會對物體產生作用力。當物體是膜上的分子時尤其明顯，可以使分子移動位置。所以，通過控制激光束的強度，可以局部控制水的流動。

這一現象或許還可以用來研究廣義相對論。廣義相對論認為，大質量天體會讓它周圍的時空彎曲。如果天體在自轉，甚至還可以拖曳周圍的時空一起轉動，就像你用一根筷子攪面糊糊一樣，產生螺旋形的漩渦。從這里你可以看到，雖然時空不是一般意義上的流體，但表現得很像流體。在本文介紹的這個實驗中，既然光可以改變流體的流動，那么我們也不妨好奇地問一句：光的傳播會不會改變時空的“流動”呢？或者，在強引力場中，光的分支流動現象會不會發生呢？如果情況屬實，那將是一個了不起的發現。