《泡沫》中隐藏的科学密码

2019-09-06徐海杨敏楚婉苓

知识就是力量 2019年11期

徐海杨敏楚婉苓

【编者按】科普也可以很时尚。听歌，是我们常用的娱乐休闲方式。有时可能仅仅是因为一首歌，某位歌手就成了我们的“爱豆”。当我们聆听着这些不同风格、不同唱腔甚至蕴含着不同情感的歌曲时，如果能够再进一步，就会发现这些歌曲中不仅有着广泛的、深入大众的美学，甚至其中还深藏着可能你未曾注意、未曾了解的科学知识。

泡沫带来的忧伤

阳光下的泡沫是彩色的

…… ……

美丽的泡沫虽然一刹花火

你所有承诺虽然都太脆弱

但爱像泡沫如果能够看破

有什么难过

早该知道泡沫一触就破

就像已伤的心不胜折磨

也不是谁的错谎言再多

基于你还爱我

这首《泡沫》是邓紫棋于2011年创作的一首伤感情歌。那时的她正处于失恋期，觉得很压抑（不仅是感情，工作上也压抑），想要逃跑，于是就一个人买了机票飞去美国纽约，在那停留了一个星期。有一天，她在纽约热闹的街头看到一些小丑在吹泡泡，尽管那个画面很美，但在当时的她看来，泡泡这一刻虽然很漂亮，但是用手一碰就破了，于是联想到谎言也犹如泡沫一样，很美丽却很脆弱，而破裂的一刻更让人心碎，于是就着手写了这首歌曲。

阳光下的泡沫是彩色的

○ 泡泡其实是被洗涤剂分子包裹着的一层薄薄的水膜

○ 光的反射、折射、吸收与分散

或许你会产生疑问，我们难道不讲科学知识了吗？别急！歌曲中提到“阳光下的泡沫是彩色的”，这就是我们要解释给大家的。泡泡其实就是被洗涤剂分子包裹着的一层薄薄的水膜。那么，当光照射到这一层水的薄膜时，都会发生些什么呢？或许我们已经知道，空气和水都是可以透过光的介质，它们的交界处叫作“界面”。当光遇到一个界面时，一部分会被反射回来，还有一部分会继续前进，发生折射。

相长干涉相消干涉

肥皂泡上的一层水膜，看起来非常的薄，但在微观上来看却拥有两个“空气-水”界面。光从空气中遇上水膜，先后遇到这两个“空气-水”界面，每遇到这个界面时，便会有一部分的光直接发生反射改变原来的方向，而另一部分会发生折射直至有一部分穿过水膜回到空气当中。于是，其中一部分的光会在水膜中循环反射多次，发生干涉现象。

○ 泡泡呈现不断变化的色彩

干涉是光的一种基本性质。同一时刻在同一位置上的多条光波会互相叠加各自的光强度，也即发生了干涉现象。而干涉产生的效果与相位有关，以致产生两个极端的效果——同相更强，反相相消。在物理学上，将两束光的峰值叠加在一起变得更强称为“相长干涉”，而两束光的峰值和谷值分别叠加在一起互相抵消则称为“相消干涉”。这是干涉中的两种极端情况，在通常情况下，实际的干涉会介于相长干涉和相消干涉之间。

○ 泡泡在一定时间内可以稳定存在

○ 表面分子结构示意图

光的頻率（也即光的颜色）以及薄膜的厚度对实际干涉的具体情况又会产生影响，以至于某些波长的反射光会被削弱，而有的波长则会被增强，光强度的增减使薄膜上出现不断变化的色彩。日常生活中，我们也可以观察到，吹出来的泡泡会往下滴水。同理，在重力因素的影响下，泡泡顶部的水膜会先变薄，再加上水分的蒸发，使得水膜上光的干涉情况时刻发生变化，使泡泡呈现出光影的变化。

一定时间内稳定存在的泡泡

被我们吹起来的泡泡，一触就破，那如果不去触碰它，在一定时间内，它是如何稳定存在呢？

○ 在手掌上燃烧的火焰（供图 / 徐海）

通过经验，我们都知道泡泡不能用纯水吹出来，这是因为纯水的表面张力很大，水分子会紧紧地聚在一起，所以它只会成为水滴而不能成为中空的泡泡。像冰心那样在水中加入肥皂，就可以吹起泡泡，且泡泡可以在一定时间内稳定存在，是因为表面活性剂的作用。表面活性剂（如肥皂水）减小了水的表面张力，液体分子之间有比较强的分子间力，在数学上，相同的体积球形表面积最小，所以泡泡就会成为球形。泡泡膜上的水分子蒸发较快，因此，湿度大时，泡泡存在的时间就较久（下雨天和吹泡泡更配哦）。

无论何种表面活性剂（肥皂是阴离子表面活性剂），其分子结构均由两部分构成：一端为亲水头基，另一端为疏水尾链。亲水头基受到水分子向下的吸引力，但这种吸引力显然弱于水分子之间的吸引力，原因是亲水头基的极性弱于水分子;疏水尾链受到空气分子向上的吸引力，且这种吸引力要强于空气分子与水分子的吸引力，原因是相对较大的体积使疏水尾链可以与更多空气分子接触，同时更弱的极性也使疏水尾链能更好地与空气分子互相融合吸引。因此，整体而言，向下的引力减弱，向上的引力上升，表面活性剂分子的受力不平衡状况要弱于水分子，因此有表面活性剂分子排列的水溶液表面，显然比单纯的水分子表面受力不平衡的情况要弱，宏观上看，就是表面张力降低。

这就是泡泡为什么能在一定时间内稳定存在的原因了。

科学魔法秀

当火在手上燃烧会是什么样的感觉？我们都知道当人手触碰100℃的沸水时，会烫伤。那火焰呢？火焰有高达几百摄氏度的温度，如果将火在手上燃烧，会怎么样呢？结果如你想象，炙热的火苗会舔舐手掌，然后很快将手掌吞没。

那有没有一种可能让我们像火神一样“操纵火焰”，比如让火苗在手心里跳跃，手却安然无恙？

将水和洗洁精按照一定比例（2升清水，15克洗洁精）混合并进行充分的搅拌（搅拌出尽可能多的泡沫），然后将装有250毫升丁烷气体的试剂瓶打开，迅速倒置在脸盆当中，直至产生大量泡沫。将手完全浸没在液体中，并托起可以覆盖手掌的泡沫。将手臂伸展开，使用点火枪或者打火机点燃泡沫，你将会看到盛满泡泡的手掌上蹿出半米高的火苗！

这是为什么呢？原来，将丁烷注入到洗洁精和水的混合液体中后，水面上的气泡中就会充满丁烷气体。丁烷易燃，在燃烧时会放热。将完全浸湿的手和一堆充满丁烷气体的气泡点燃，在这个过程中，氣泡的破裂会吸收大量热量，同时手被水层保护着，丁烷气气泡燃烧完之后，火焰也就立马消失了，这就是火焰在手上燃烧不会被烫伤的原因。