白二娃

在我們的印象中激光是一束直線，但是《自然》近期封面文章告訴我們，最新實(shí)驗(yàn)證明光也可以像水流一樣分出很多支流，這種現(xiàn)象叫“光的分支流”。

《自然》（Nature）是世界最著名的科學(xué)雜志之一，但今年7月封面文章的研究實(shí)驗(yàn)操作可比基因擴(kuò)增、腫瘤動(dòng)物操作要簡(jiǎn)單不少，小學(xué)生也許真的能復(fù)現(xiàn)其實(shí)驗(yàn)效果呢（圖1）。

2020年7月《自然》封面介紹光的分支流

這篇論文報(bào)告了首次在宏觀尺度用肉眼觀測(cè)到了“光的分支流（branched flow）”現(xiàn)象。以色列理工大學(xué)的研究者把綠色激光束照射到肥皂泡上，然后用微弱氣流擾動(dòng)肥皂泡，用顯微鏡甚至裸眼就可以觀測(cè)到激光束動(dòng)態(tài)分叉成多條支流的現(xiàn)象（圖2）。

激光照射在肥皂泡上產(chǎn)生了分支流現(xiàn)象

這個(gè)看似簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)卻能夠登上《自然》的封面是因?yàn)榭茖W(xué)家之前認(rèn)為所有波都會(huì)出現(xiàn)分支流現(xiàn)象，雖然我們都知道光具有波粒二象性，但通過(guò)這種分支流現(xiàn)象表現(xiàn)出光的波方面特征還是首次被直接觀測(cè)到。這一科研成果將開(kāi)辟新的物理學(xué)研究領(lǐng)域，在實(shí)用性方面則可能有助于更精確的血管和靜脈檢查，還可用來(lái)開(kāi)發(fā)體內(nèi)“液體流動(dòng)引導(dǎo)法”解決某些健康問(wèn)題。

什么是分支流現(xiàn)象呢？當(dāng)波在傳播時(shí)，遇到不均勻介質(zhì)時(shí)除了會(huì)出現(xiàn)衰減、分散或彎曲等現(xiàn)象外，還可能出現(xiàn)分叉劈裂，看起來(lái)就像持續(xù)分叉的樹(shù)根，這種波的特殊傳播現(xiàn)象就稱為分支流。這種現(xiàn)象最早在電子（物質(zhì)波）輸運(yùn)中觀察到?？茖W(xué)家們認(rèn)為，分支流現(xiàn)象對(duì)波而言應(yīng)該是普適的，它能夠解釋海浪、聲波以及石墨烯中電子輸運(yùn)現(xiàn)象。

大家都知道，光具有波粒二象性，也就是說(shuō)，光也是一種波。那么，光也應(yīng)該能表現(xiàn)出分支流現(xiàn)象，2001年科學(xué)家通過(guò)電子顯微鏡首次觀測(cè)到了光的分支流現(xiàn)象，但是電子顯微鏡觀測(cè)到的并非目標(biāo)實(shí)圖，而是利用電子束探測(cè)目標(biāo)所構(gòu)造出的圖像，這限制了科學(xué)家對(duì)光的分支流現(xiàn)象的探索。

以往對(duì)其他波的研究指出，當(dāng)介質(zhì)具有無(wú)序的勢(shì)函數(shù)并且其關(guān)聯(lián)長(zhǎng)度（correlation length）大于波的波長(zhǎng)時(shí)，在該介質(zhì)中傳播的波就可以表現(xiàn)出分支流。從機(jī)理上講，這被認(rèn)為是由于勢(shì)函數(shù)的弱相關(guān)變化引起的波偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的焦散。從形式上講，這些焦散反映了拉格朗日流形在相空間中的折疊，這與沿二維特定線或三維表面上的射線集中和高場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)應(yīng)。

根據(jù)這段話的理論翻譯成人話就是：你要想看到光的分支流只需要肥皂泡和合適顏色的激光筆。

肥皂泡的特殊之處在于，它的厚度通常在50納米到幾千納米之間波動(dòng)，這種尺度的厚度變化會(huì)造成光在液膜之間折射率的波動(dòng)，當(dāng)膜的厚度剛好在光的一到兩個(gè)波長(zhǎng)范圍（此處使用波長(zhǎng)為532納米綠色激光）內(nèi)時(shí)，折射率的改變相當(dāng)顯著，以至于能造成光的偏轉(zhuǎn)，正好滿足分支流產(chǎn)生的條件。

以色列理工大學(xué)物理學(xué)教授莫提·塞格夫說(shuō)，他們通過(guò)專門方法保持肥皂泡不破裂，并根據(jù)肥皂泡的顏色測(cè)量了其厚度。

由于光的干涉，不同厚度的肥皂泡顏色不同，通過(guò)顏色的簡(jiǎn)單換算就可以得到圖3中的液膜厚度分布圖找到最適合產(chǎn)生分支流的位置。研究人員還據(jù)此計(jì)算出勢(shì)函數(shù)的相關(guān)長(zhǎng)度lc以及波動(dòng)程度v0（圖3）。

不同厚度的肥皂泡顏色不同

他們搭建了一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置（如圖4），保持激光束的穩(wěn)定，又能同時(shí)觀察到肥皂泡膜上的干涉以及光在肥皂泡中形成的分支流——光分裂成樹(shù)枝狀（圖5）。

白光用于測(cè)量泡膜厚度，激光產(chǎn)生光的分支流

起初研究人員并不知道自己發(fā)現(xiàn)了何種現(xiàn)象，隨著研究的深入才發(fā)現(xiàn)原理是光的分支流。隨后研究人員用平面波代替單束激光束進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。平面波同樣形成了分支流。通過(guò)對(duì)這些分支流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，研究人員發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)第一個(gè)分支流的位置與lc v0-2/3（相關(guān)長(zhǎng)度lc，波動(dòng)程度v0）成正比。進(jìn)一步的，研究人員還對(duì)這些分支流中分支的位置以及光強(qiáng)度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究和解釋（圖6）。

肥皂泡膜上的干涉（彩色）及光的分支流（綠色）

盡管后續(xù)的統(tǒng)計(jì)和理論解釋是專業(yè)的研究人員才能讀懂的，但僅就實(shí)驗(yàn)部分而言，這個(gè)研究不需要?jiǎng)佑么笮涂蒲性O(shè)備，操作也很安全，小學(xué)生找到竅門（一支綠色激光筆和肥皂泡上合適的位置）也能復(fù)現(xiàn)，而且還很漂亮。

由于實(shí)驗(yàn)效果非常漂亮，《自然》還專門制作了視頻，可以掃碼觀看。