肥皂泡上的光学魔术

贝莫亭

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塊三明治，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。

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。