光也能像水一样分流，你也能做这个实验

白二娃

在我们的印象中激光是一束直线，但是《自然》近期封面文章告诉我们，最新实验证明光也可以像水流一样分出很多支流，这种现象叫“光的分支流”。

《自然》（Nature）是世界最著名的科学杂志之一，但今年7月封面文章的研究实验操作可比基因扩增、肿瘤动物操作要简单不少，小学生也许真的能复现其实验效果呢（图1）。

2020年7月《自然》封面介绍光的分支流

这篇论文报告了首次在宏观尺度用肉眼观测到了“光的分支流（branched flow）”现象。以色列理工大学的研究者把绿色激光束照射到肥皂泡上，然后用微弱气流扰动肥皂泡，用显微镜甚至裸眼就可以观测到激光束动态分叉成多条支流的现象（图2）。

激光照射在肥皂泡上产生了分支流现象

这个看似简单的实验却能够登上《自然》的封面是因为科学家之前认为所有波都会出现分支流现象，虽然我们都知道光具有波粒二象性，但通过这种分支流现象表现出光的波方面特征还是首次被直接观测到。这一科研成果将开辟新的物理学研究领域，在实用性方面则可能有助于更精确的血管和静脉检查，还可用来开发体内“液体流动引导法”解决某些健康问题。

什么是分支流现象呢？当波在传播时，遇到不均匀介质时除了会出现衰减、分散或弯曲等现象外，还可能出现分叉劈裂，看起来就像持续分叉的树根，这种波的特殊传播现象就称为分支流。这种现象最早在电子（物质波）输运中观察到。科学家们认为，分支流现象对波而言应该是普适的，它能够解释海浪、声波以及石墨烯中电子输运现象。

大家都知道，光具有波粒二象性，也就是说，光也是一种波。那么，光也应该能表现出分支流现象，2001年科学家通过电子显微镜首次观测到了光的分支流现象，但是电子显微镜观测到的并非目标实图，而是利用电子束探测目标所构造出的图像，这限制了科学家对光的分支流现象的探索。

以往对其他波的研究指出，当介质具有无序的势函数并且其关联长度（correlation length）大于波的波长时，在该介质中传播的波就可以表现出分支流。从机理上讲，这被认为是由于势函数的弱相关变化引起的波偏转导致的焦散。从形式上讲，这些焦散反映了拉格朗日流形在相空间中的折叠，这与沿二维特定线或三维表面上的射线集中和高场强相对应。

根据这段话的理论翻译成人话就是：你要想看到光的分支流只需要肥皂泡和合适颜色的激光笔。

肥皂泡的特殊之处在于，它的厚度通常在50纳米到几千纳米之间波动，这种尺度的厚度变化会造成光在液膜之间折射率的波动，当膜的厚度刚好在光的一到两个波长范围（此处使用波长为532纳米绿色激光）内时，折射率的改变相当显著，以至于能造成光的偏转，正好满足分支流产生的条件。

以色列理工大学物理学教授莫提·塞格夫说，他们通过专门方法保持肥皂泡不破裂，并根据肥皂泡的颜色测量了其厚度。

由于光的干涉，不同厚度的肥皂泡颜色不同，通过颜色的简单换算就可以得到图3中的液膜厚度分布图找到最适合产生分支流的位置。研究人员还据此计算出势函数的相关长度lc以及波動程度v0（图3）。

不同厚度的肥皂泡颜色不同

他们搭建了一个简单的装置（如图4），保持激光束的稳定，又能同时观察到肥皂泡膜上的干涉以及光在肥皂泡中形成的分支流——光分裂成树枝状（图5）。

白光用于测量泡膜厚度，激光产生光的分支流

起初研究人员并不知道自己发现了何种现象，随着研究的深入才发现原理是光的分支流。随后研究人员用平面波代替单束激光束进行实验。平面波同样形成了分支流。通过对这些分支流进行统计，研究人员发现，出现第一个分支流的位置与lc v0-2/3（相关长度lc，波动程度v0）成正比。进一步的，研究人员还对这些分支流中分支的位置以及光强度分布进行统计研究和解释（图6）。

肥皂泡膜上的干涉（彩色）及光的分支流（绿色）

尽管后续的统计和理论解释是专业的研究人员才能读懂的，但仅就实验部分而言，这个研究不需要动用大型科研设备，操作也很安全，小学生找到窍门（一支绿色激光笔和肥皂泡上合适的位置）也能复现，而且还很漂亮。

由于实验效果非常漂亮，《自然》还专门制作了视频，可以扫码观看。