科学家观察到光的行为就像一条河流

2020-07-03 23:29:32

在你的脑海中想象一条河流的三角洲-主河道如何分裂成较小的小溪和支流。当波通过一种特定的介质传播时,也会发生类似的情况:波的路径会分裂,分裂成更小的通道,就像树枝一样。

这叫做分支流,在电子(电流)流、海浪和声波等现象中都能观察到。现在,物理学家第一次在可见光下观察到了它--所需要的只是一个激光和一个肥皂泡。

根据介质结构的不同,通过的波可能会发生不同的情况;它们可以衰减、分散、弯曲、扩散或继续流动。

对于分支流,需要一些属性。介质的结构必须是随机的,并且结构中的空间变化需要大于流动的波长。它还必须平稳地变化。

如果所有这些条件都满足,结构中的微小扰动和波动就会分散流动,导致其分裂。

尽管这种行为在波浪中无处不在,但事实证明,在光中观察它是具有挑战性的。也就是说,直到以色列的以色列理工学院和中佛罗里达大学的一组物理学家想到使用肥皂泡作为媒介。

肥皂膜由夹在两层表面活性剂分子之间的一层非常薄的液体组成。这种薄膜的厚度差别很大,从大约5纳米到几微米不等。这些厚度的变化就是在肥皂泡…中产生五颜六色的图案的原因。但事实证明,它们也可以起到微扰的作用,使光线在流中偏转,导致流分裂和分支。

不过,要做到这一点并不容易。激光需要在两个表面活性剂层之间照射;这是通过将纤维插入弯曲薄膜的膜中,或通过将宽的椭圆形光束耦合到平膜中来实现的。

通过将激光束照射到肥皂泡中,研究人员能够观察到光束穿过膜表面的分裂方式。当他们用微弱的白光照亮薄膜时,他们可以看到分裂光束的厚度变化-可见为颜色变化。

通常,围绕肥皂膜的空气流动会导致图案四处移动,但如果膜可以与气流隔离,图案可以保持稳定几分钟。因此,研究小组还在稳定和移动的肥皂膜上测试了他们的激光。

这项研究的可能性相当大。使用气泡作为介质对光流体学有一定的影响,光流体学是一门研究光与液体相互作用的科学。例如,该实验装置可以用来研究光学力如何影响分支流动。

研究人员指出,加厚薄膜可以实现三维的分支流动--这一现象已经被假设过,但在任何情况下都从未观察到过。

它还可以用来探索其他物理现象,包括广义相对论的某些方面。

研究人员在他们的论文中写道,薄薄的肥皂膜可以被塑造成各种曲面,以研究弯曲空间中的分支流动。