《泡沫》中隱藏的科學密碼

徐海 楊敏 楚婉苓

【編者按】科普也可以很時尚。聽歌，是我們常用的娛樂休閑方式。有時可能僅僅是因為一首歌，某位歌手就成了我們的“愛豆”。當我們聆聽著這些不同風格、不同唱腔甚至蘊含著不同情感的歌曲時，如果能夠再進一步，就會發現這些歌曲中不僅有著廣泛的、深入大眾的美學，甚至其中還深藏著可能你未曾注意、未曾了解的科學知識。

泡沫帶來的憂傷

陽光下的泡沫 是彩色的

…… ……

美麗的泡沫 雖然一剎花火

你所有承諾 雖然都太脆弱

但愛像泡沫 如果能夠看破

有什么難過

早該知道泡沫 一觸就破

就像已傷的心 不勝折磨

也不是誰的錯 謊言再多

基于你還愛我

這首《泡沫》是鄧紫棋于2011年創作的一首傷感情歌。那時的她正處于失戀期，覺得很壓抑（不僅是感情，工作上也壓抑），想要逃跑，于是就一個人買了機票飛去美國紐約，在那停留了一個星期。有一天，她在紐約熱鬧的街頭看到一些小丑在吹泡泡，盡管那個畫面很美，但在當時的她看來，泡泡這一刻雖然很漂亮，但是用手一碰就破了，于是聯想到謊言也猶如泡沫一樣，很美麗卻很脆弱，而破裂的一刻更讓人心碎，于是就著手寫了這首歌曲。

陽光下的泡沫是彩色的

○ 泡泡其實是被洗滌劑分子包裹著的一層薄薄的水膜

○ 光的反射、折射、吸收與分散

或許你會產生疑問，我們難道不講科學知識了嗎？別急！歌曲中提到“陽光下的泡沫是彩色的”，這就是我們要解釋給大家的。泡泡其實就是被洗滌劑分子包裹著的一層薄薄的水膜。那么，當光照射到這一層水的薄膜時，都會發生些什么呢？或許我們已經知道，空氣和水都是可以透過光的介質，它們的交界處叫作“界面”。當光遇到一個界面時，一部分會被反射回來，還有一部分會繼續前進，發生折射。

相長干涉相消干涉

肥皂泡上的一層水膜，看起來非常的薄，但在微觀上來看卻擁有兩個“空氣-水”界面。光從空氣中遇上水膜，先后遇到這兩個“空氣-水”界面，每遇到這個界面時，便會有一部分的光直接發生反射改變原來的方向，而另一部分會發生折射直至有一部分穿過水膜回到空氣當中。于是，其中一部分的光會在水膜中循環反射多次，發生干涉現象。

○ 泡泡呈現不斷變化的色彩

干涉是光的一種基本性質。同一時刻在同一位置上的多條光波會互相疊加各自的光強度，也即發生了干涉現象。而干涉產生的效果與相位有關，以致產生兩個極端的效果——同相更強，反相相消。在物理學上，將兩束光的峰值疊加在一起變得更強稱為“相長干涉”，而兩束光的峰值和谷值分別疊加在一起互相抵消則稱為“相消干涉”。這是干涉中的兩種極端情況，在通常情況下，實際的干涉會介于相長干涉和相消干涉之間。

○ 泡泡在一定時間內可以穩定存在

○ 表面分子結構示意圖

光的頻率（也即光的顏色）以及薄膜的厚度對實際干涉的具體情況又會產生影響，以至于某些波長的反射光會被削弱，而有的波長則會被增強，光強度的增減使薄膜上出現不斷變化的色彩。日常生活中，我們也可以觀察到，吹出來的泡泡會往下滴水。同理，在重力因素的影響下，泡泡頂部的水膜會先變薄，再加上水分的蒸發，使得水膜上光的干涉情況時刻發生變化，使泡泡呈現出光影的變化。

一定時間內穩定存在的泡泡

被我們吹起來的泡泡，一觸就破，那如果不去觸碰它，在一定時間內，它是如何穩定存在呢？

○ 在手掌上燃燒的火焰（供圖 / 徐海）

通過經驗，我們都知道泡泡不能用純水吹出來，這是因為純水的表面張力很大，水分子會緊緊地聚在一起，所以它只會成為水滴而不能成為中空的泡泡。像冰心那樣在水中加入肥皂，就可以吹起泡泡，且泡泡可以在一定時間內穩定存在，是因為表面活性劑的作用。表面活性劑（如肥皂水）減小了水的表面張力，液體分子之間有比較強的分子間力，在數學上，相同的體積球形表面積最小，所以泡泡就會成為球形。泡泡膜上的水分子蒸發較快，因此，濕度大時，泡泡存在的時間就較久（下雨天和吹泡泡更配哦）。

無論何種表面活性劑（肥皂是陰離子表面活性劑），其分子結構均由兩部分構成：一端為親水頭基，另一端為疏水尾鏈。親水頭基受到水分子向下的吸引力，但這種吸引力顯然弱于水分子之間的吸引力，原因是親水頭基的極性弱于水分子;疏水尾鏈受到空氣分子向上的吸引力，且這種吸引力要強于空氣分子與水分子的吸引力，原因是相對較大的體積使疏水尾鏈可以與更多空氣分子接觸，同時更弱的極性也使疏水尾鏈能更好地與空氣分子互相融合吸引。因此，整體而言，向下的引力減弱，向上的引力上升，表面活性劑分子的受力不平衡狀況要弱于水分子，因此有表面活性劑分子排列的水溶液表面，顯然比單純的水分子表面受力不平衡的情況要弱，宏觀上看，就是表面張力降低。

這就是泡泡為什么能在一定時間內穩定存在的原因了。

科學魔法秀

當火在手上燃燒會是什么樣的感覺？ 我們都知道當人手觸碰100℃的沸水時，會燙傷。那火焰呢？火焰有高達幾百攝氏度的溫度，如果將火在手上燃燒，會怎么樣呢？結果如你想象，炙熱的火苗會舔舐手掌，然后很快將手掌吞沒。

那有沒有一種可能讓我們像火神一樣“操縱火焰”，比如讓火苗在手心里跳躍，手卻安然無恙？

將水和洗潔精按照一定比例（2升清水，15克洗潔精）混合并進行充分的攪拌（攪拌出盡可能多的泡沫），然后將裝有250毫升丁烷氣體的試劑瓶打開，迅速倒置在臉盆當中，直至產生大量泡沫。將手完全浸沒在液體中，并托起可以覆蓋手掌的泡沫。將手臂伸展開，使用點火槍或者打火機點燃泡沫，你將會看到盛滿泡泡的手掌上躥出半米高的火苗！

這是為什么呢？原來，將丁烷注入到洗潔精和水的混合液體中后，水面上的氣泡中就會充滿丁烷氣體。丁烷易燃，在燃燒時會放熱。將完全浸濕的手和一堆充滿丁烷氣體的氣泡點燃，在這個過程中，氣泡的破裂會吸收大量熱量，同時手被水層保護著，丁烷氣氣泡燃燒完之后，火焰也就立馬消失了，這就是火焰在手上燃燒不會被燙傷的原因。

徐海

【溫馨提示】丁烷易燃，火焰會產生高溫，為了安全，一定要在專業人士的指導下才可以進行此實驗！