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使用comsol的波動光學模塊，模擬了高斯激光通過極度不均的折射率表面出現的分支流現象。

相對比，均勻的表面沒有出現明顯的分支。

結果動圖展示如下。

    

    來自以色列理工學院的一組研究人員首次觀察到了分支的光流，該研究結果發表在今天的《自然》上，并作為了雜志的封面。（轉載）

    分叉是生活中的常見現象，比如河流分支、樹木生長。在微觀世界中，波也有分叉現象，我們稱之為“分支流”。但科學家從未觀察到光的此類現象，因為光有強大的散射，很難匯聚。最近，一位博士生將激光照向美麗的肥皂泡，意外看到了光的分支流。這個由肥皂泡和激光束共同組成的光流體系統中的相互作用，和光與固體的相互作用很不同，這或許為理解自然界中的分支流現象提供了新的機會。

    光的散射是天空呈現一片蔚藍的原因。當光穿過不均勻的介質時，通常會向各個方向散射，要讓光匯聚起來是很困難的。然而，當以色列理工學院的一位博士生將激光照向肥皂膜時，令人意外的事情發生了，這些光自然地匯聚成細絲，并且像樹枝一樣不斷分叉，形成了奇妙的分支流（branched flow）。

    你一定幸運地撞到過公園里小朋友吹出的五光十色的肥皂泡。當太陽光照射到肥皂膜表面時，會形成各種顏色的條紋和斑點，這是我們熟悉的薄膜干涉現象：一部分光被膜的上表面反射，一部分被下表面反射，兩束反射光相互干涉，由此在肥皂膜厚度不同的區域呈現出不同顏色。

    這些普普通通的肥皂泡有何奇特之處呢？要了解這一點我們得深入微觀世界。從微觀上看，肥皂膜是兩層表面活性劑中間夾著一層水膜，由于表面活性劑分子的密度不同，膜的厚度可以在5納米到數微米之間平滑地變化。對于在薄膜中傳播的光線而言，這種厚度的變化會相應地導致介質的折射率發生變化，在較厚的薄膜中，折射率的變化比較小，但是當薄膜厚度接近光的一兩個波長時，折射率的變化會相當大，從而有效地散射肥皂膜中的光。

    通過顯微鏡，我們可以清楚看到肥皂膜反射的光形成的彩色干涉圖樣，根據干涉圖樣與介質折射率，進而與肥皂膜厚度的關系，就可以計算出相應的肥皂膜厚度的分布圖。可以看到，它們如大地上的山峰和山谷般緩慢起伏。

    肥皂膜厚度的變化是無序且隨機的，局部的漲落向著遠處平滑漫延。因為這種特性，從很小的尺度看來，膜上一個位置的厚度變化與相鄰位置是非常接近的，不太可能出現太大偏離。如果延伸到一個非常大的尺度上，比如從膜的一邊到另一邊，這樣兩個位置的厚度變化則是完全獨立的，它們彼此之間毫無關聯。

    在這兩種情況之間存在一個特征尺度，一旦超過這個長度，兩個位置的厚度變化便不再相互關聯。在統計物理學中，我們稱這個特征尺度為關聯長度，關聯長度可以讓我們粗略地知道，在起伏不平的肥皂膜表面，那些隆起的山峰和凹陷的山谷大致是如何分布的。只有當肥皂膜的關聯長度大于入射光的波長時，光的分支流現象才有可能出現。

    要觀察到光的分支流非常具有挑戰性，尤其是作為實驗平臺的肥皂膜很不穩定，甚至有可能突然破碎。實驗中，為了觀察激光在肥皂膜內部的傳播，研究人員將一根光纖插入經過特殊處理而能保持不破碎的平面薄膜，讓激光從膜的兩層表面活性劑之間注入，與薄膜耦合。

    由于激光在傳播過程中會部分地散射，我們可以實時地直接觀察到光波在薄膜中的傳播。可以看到，光波會因為薄膜厚度的局部隨機變化而發生偏轉，聚焦成細絲，然后持續分叉，形成像樹枝一樣的美麗圖案。而且頗為違反直覺的是，盡管肥皂膜的厚度隨機變化，這些細絲在下一次分叉前并不會任意偏折，而是始終保持準直。

    在隔絕氣流干擾的情況下，肥皂膜可以穩定地維持數分鐘，用于觀察光在靜止的肥皂膜中的傳播。如果存在微弱的氣流，薄膜的厚度則會發生變化，使得干涉圖樣不斷移動，這樣就可以看到不斷變化的分支流圖案。在有照明的情況下，我們可以同時看到光的分支流和通常見到的彩色干涉圖樣，這種景象就像是一條大河在起伏不平的山川間不斷分叉，形成眾多支流。

    除了平坦的肥皂膜，研究人員也觀察了光在半球形肥皂膜中的傳播。對于彎曲的肥皂膜，不僅薄膜厚度的變化會影響光的傳播，薄膜的整體曲率也會產生影響。

    僅僅用激光和肥皂膜就能發現如此有趣的現象，這甚至超出了實驗人員自己的期待。最初，以色列理工學院的博士生Anatoly Patsyk想要測量的是另一種截然不同的現象，在過程中他意外地觀察到了光的分支流，但在很長一段時間里，沒人能解釋他看到的現象。他和實驗室的其他同事合作，升級實驗設備，直到從諸多因素中找出肥皂膜厚度變化這一主要原因，才逐漸理解了背后的原理，這前后一共經過了一年多時間。

    這篇論文的通訊作者、以色列理工學院物理學與電子工程學教授 Moti Segev 說：“我總是跟我的團隊說，要有想象力，思考一些新的東西，同時要實事求是地看待實驗事實，而不是試圖調整實驗以符合預期?！彼麄冮_放地面對自然帶來的意外，這一次，自然也給他們帶來了驚喜。

    觀察到光的分支流為理解自然界中普遍存在的分支流現象提供了一個新的機會。尤其引人注目的是，作為此次實驗平臺的肥皂膜是一種流體，它和激光束共同組成了一個光流體系統（optofluidic system）。光流體學研究光與流體的相互作用，這和光與固體的相互作用具有根本不同。流體的流動性、光可能對流體產生的作用、傳導熱量時擴散和對流的作用，所有這些都會導致光流體系統中出現諸多復雜的非線性現象。由此看來，對于未來的相關研究，肥皂膜或許會是一個理想的實驗平臺。

參考文獻

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2376-8

[2] https://www.nature.com/articles/35065553

[3] https://www.nature.com/articles/d41586-020-01991-5

[4] https://www.sciencealert.com/physicists-have-observed-light-flowing-like-a-river-and-it-s-beautiful

[5] https://phys.org/news/2020-07-researchers-observe-branched-flow-of.html

[6] Jean-Louis Barrat, Jean-Pierre Hansen. Basic Concepts for Simple and Complex Liquids. (2003)