光也能像水一樣分流，你也能做這個實驗

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，最新實驗證明光也可以像水流一樣分出很多支流，這種現象叫“光的分支流”。

《自然》（Nature）是世界最著名的科學雜志之一，但今年7月封面文章的研究實驗操作可比基因擴增、腫瘤動物操作要簡單不少，小學生也許真的能復現其實驗效果呢（圖1）。

2020年7月《自然》封面介紹光的分支流

這篇論文報告了首次在宏觀尺度用肉眼觀測到了“光的分支流（branched flow）”現象。以色列理工大學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肥皂泡，用顯微鏡甚至裸眼就可以觀測到激光束動態分叉成多條支流的現象（圖2）。

激光照射在肥皂泡上產生了分支流現象

這個看似簡單的實驗卻能夠登上《自然》的封面是因為科學家之前認為所有波都會出現分支流現象，雖然我們都知道光具有波粒二象性，但通過這種分支流現象表現出光的波方面特征還是首次被直接觀測到。這一科研成果將開辟新的物理學研究領域，在實用性方面則可能有助于更精確的血管和靜脈檢查，還可用來開發體內“液體流動引導法”解決某些健康問題。

什么是分支流現象呢？當波在傳播時，遇到不均勻介質時除了會出現衰減、分散或彎曲等現象外，還可能出現分叉劈裂，看起來就像持續分叉的樹根，這種波的特殊傳播現象就稱為分支流。這種現象最早在電子（物質波）輸運中觀察到。科學家們認為，分支流現象對波而言應該是普適的，它能夠解釋海浪、聲波以及石墨烯中電子輸運現象。

大家都知道，光具有波粒二象性，也就是說，光也是一種波。那么，光也應該能表現出分支流現象，2001年科學家通過電子顯微鏡首次觀測到了光的分支流現象，但是電子顯微鏡觀測到的并非目標實圖，而是利用電子束探測目標所構造出的圖像，這限制了科學家對光的分支流現象的探索。

以往對其他波的研究指出，當介質具有無序的勢函數并且其關聯長度（correlation length）大于波的波長時，在該介質中傳播的波就可以表現出分支流。從機理上講，這被認為是由于勢函數的弱相關變化引起的波偏轉導致的焦散。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強相對應。

根據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，這種尺度的厚度變化會造成光在液膜之間折射率的波動，當膜的厚度剛好在光的一到兩個波長范圍（此處使用波長為532納米綠色激光）內時，折射率的改變相當顯著，以至于能造成光的偏轉，正好滿足分支流產生的條件。

以色列理工大學物理學教授莫提·塞格夫說，他們通過專門方法保持肥皂泡不破裂，并根據肥皂泡的顏色測量了其厚度。

由于光的干涉，不同厚度的肥皂泡顏色不同，通過顏色的簡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生分支流的位置。研究人員還據此計算出勢函數的相關長度lc以及波動程度v0（圖3）。

不同厚度的肥皂泡顏色不同

他們搭建了一個簡單的裝置（如圖4），保持激光束的穩定，又能同時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——光分裂成樹枝狀（圖5）。

白光用于測量泡膜厚度，激光產生光的分支流

起初研究人員并不知道自己發現了何種現象，隨著研究的深入才發現原理是光的分支流。隨后研究人員用平面波代替單束激光束進行實驗。平面波同樣形成了分支流。通過對這些分支流進行統計，研究人員發現，出現第一個分支流的位置與lc v0-2/3（相關長度lc，波動程度v0）成正比。進一步的，研究人員還對這些分支流中分支的位置以及光強度分布進行統計研究和解釋（圖6）。

肥皂泡膜上的干涉（彩色）及光的分支流（綠色）

盡管后續的統計和理論解釋是專業的研究人員才能讀懂的，但僅就實驗部分而言，這個研究不需要動用大型科研設備，操作也很安全，小學生找到竅門（一支綠色激光筆和肥皂泡上合適的位置）也能復現，而且還很漂亮。

由于實驗效果非常漂亮，《自然》還專門制作了視頻，可以掃碼觀看。