制作：五月 中科院長春光學精密機械與物理研究所
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吹泡泡是我們小時候經(jīng)常玩的一個小游戲。用清水混合上一定量的洗衣粉，攪拌均勻后用塑料圈蘸一下，輕輕一吹，泡泡就會隨著春風四處飛散，在陽光的照耀下五彩繽紛。
圖片來源：veer圖庫
聽上去很簡單，但你是否好奇過這些問題：為什么清水沒法吹出泡泡？為什么肥皂水看起來是清澈的但泡泡卻在陽光下五顏六色呢？其實小小的泡泡下藏著很多的科學知識，今天就讓我們一起走近泡泡，探索它身上的秘密。
泡泡的誕生：表面張力是怎么回事？
我們平時用的泡泡水的秘方其實很簡單，用熱水沖溶肥皂或者洗衣粉即可。那為什么清水不能吹出泡泡，而我們調(diào)制的肥皂水卻可以？這就要從泡泡形成的原理說起。
首先我們要明白一個物理概念：表面張力。
不知道大家有沒有注意過這些現(xiàn)象：雨滴落在荷葉上的時候會變成圓圓的水珠滾動，有一些小動物可以在水面上來去自如。它們所依托的就是水的表面張力。
荷葉上的水珠
（圖片來源：veer圖庫）
水面蟲子
（圖片來源：veer圖庫）
液體的表面具有自動收縮的傾向，而這種自動收縮的驅(qū)動力源于分子在液體內(nèi)部和表面所受的不同引力場。對于液體表面的分子而言，受到來自內(nèi)部液體分子的引力要大于外部空氣分子的拉力。因此，在可以忽略重力的情況下，液體有面積縮小的趨勢，總是趨向于形成球形，而在宏觀上，這種力被稱為液體的表面張力。
表面張力模型
（圖片來源：作者自制）
說到這里可能有人產(chǎn)生了新的疑問：表面張力使得液面面積有縮小的趨勢，那么肥皂泡為什么還會存在呢？好問題，的確如此。不過既然表面張力不讓水里面存在空氣，那我們想辦法降低表面張力不就可以形成大泡泡了嗎？
在解釋降低表面張力的方法前，我們先來重新認識一下肥皂和洗衣粉吧，它們還有個名字叫“表面活性劑”。表面活性劑是一類易附集于界面、并對界面性質(zhì)及相關(guān)工藝過程產(chǎn)生明顯影響的物質(zhì)。
從歷史發(fā)展看，表面活性劑源于洗滌劑，最基礎(chǔ)的肥皂配方已有數(shù)千年的歷史，古羅馬作家普林尼是最早記錄下這一配方的人之一。據(jù)他觀察，制作肥皂的方法正是將油脂和堿混合，而灰燼溶于水后的產(chǎn)物就是一種堿。
肥皂分子：脂肪酸鈉 （圖片來源：作者自制）
如今所用的堿都是人工合成的，但生成的肥皂分子與過去的大同小異，都由親水的頭部基團和親油脂的尾部基團組成。由于親油基與水分子之間的排斥，為了尋求能量最低的存在形式，表面活性劑分子首先會以親水基朝下（與水分子接觸）、親油基朝上（與空氣分子接觸）的形式在水溶液表面排列。只有當液面沒有空間接受新的表面活性劑分子時，新增的表面活性劑分子才會向溶液內(nèi)部移動。
親水基受到水分子向下的吸引力，但由于親水基的極性弱于水分子，這種吸引力便弱于水分子之間的吸引力；親油基受到空氣分子向上的吸引力，但由于相對較大的體積使親油基可以與更多空氣分子接觸，同時更弱的極性也使親油基能更好的與空氣分子互相融合吸引，這種吸引力要強于空氣分子與水分子的吸引力。
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更弱，從宏觀上看，就是表面張力降低。而這，也就是肥皂水能吹出泡泡的原因。
肥皂泡表面受力模型 （圖片來源：作者自制）
泡泡的顏色：五彩繽紛從何而來？
當我們在陽光下吹泡泡的時候，我們會發(fā)現(xiàn)泡泡的顏色像水一樣動態(tài)流轉(zhuǎn)且斑斕多彩。其實，肥皂泡是無色的，之所以在陽光下呈現(xiàn)斑斕的色彩，是陽光在透明薄膜的上下表面反射和相互干涉形成的。
“反射”與“干涉”在生活中并不少見。我們照鏡子能看到自己，依靠的就是光的反射。反射是指光在傳播到不同物質(zhì)時，在分界面上改變傳播方向又返回原來物質(zhì)中的一種現(xiàn)象。在遇到水面、玻璃以及其他許多物體的表面時，光都會發(fā)生反射。而肥皂膜是透明的薄膜，有上下兩個表面，當太陽光照射在肥皂膜的表面時，會分別被薄膜的上下兩個表面反射。
物理學家研究表明，光像池塘里面的水波一樣，具有很強的波動性。當你向池塘里面丟一顆石子的時候，產(chǎn)生的漣漪相遇，相互干涉的情況下發(fā)生了美麗的花紋。如果我們仔細觀察的話，就會發(fā)現(xiàn)水波某些位置的振動一直加強，而另一些位置的振動一直在減弱。在物理學中，我們將兩列或兩列以上的波在空間中相遇時發(fā)生疊加或抵消從而形成新的波形的現(xiàn)象稱為干涉。
相長干涉
（圖片來源：作者自制）
相消干涉 （圖片來源：作者自制）
同水波一樣，當頻率相同的光束相遇時，也會產(chǎn)生相互干涉的情況。值得一提的是，一定厚度的膜，只能使一定波長的光產(chǎn)生穩(wěn)定的相長干涉或相消干涉，前者指的是兩波的波峰（或波谷）同時抵達同一地點，干涉波會產(chǎn)生最大的振幅，后者則是兩波的波峰和波谷相遇，使干涉波的振幅減小，而光波的振幅反映了光的強弱，給人眼以物體明暗的感覺。
干涉原理模型 （圖片來源：作者自制）
由于肥皂膜各處的厚度并不均勻，根據(jù)相長干涉和相消干涉理論，陽光在厚度不同的膜面上，就會出現(xiàn)或加強、或減弱、或相互抵消的情況，在色彩上，則或紅、或藍、或綠，從而讓肥皂泡顯得色彩斑斕。
泡泡的啟發(fā)：這么多的研究都來自它？
現(xiàn)如今，世界上的肥皂泡愛好者眾多，他們成立了“國際泡泡藝術(shù)家協(xié)會”這樣的全球性組織，致力于探究肥皂水秘方以吹出更大的泡泡，甚至還在不斷刷新泡泡尺寸的世界吉尼斯記錄，回應(yīng)童年對于大泡泡的憧憬和向往。
小小的肥皂泡藏著大自然的秘密，物理學家通過它可以研究表面張力，數(shù)學家通過它可以研究最小曲面，生物學家通過它可以研究生物體內(nèi)薄膜的生化機理，力學家通過它可以研究薄膜充氣結(jié)構(gòu)……肥皂泡在科研領(lǐng)域大有作為，給了科學家們很多的啟示。
比如，在20世紀初，德國學者普朗特在研究彈性柱體的扭轉(zhuǎn)時，發(fā)現(xiàn)在柱體中應(yīng)力函數(shù)所滿足的方程和在自重下薄膜滿足的方程是一樣的；而不久前，法國波爾多大學流體力學專家哈米德 凱利將肥皂泡作為研究大氣現(xiàn)象的理想模型，提出了自己關(guān)于氣旋演變通用定律的猜想；甚至基于肥皂泡做的有關(guān)光的分支流的論文《Observation of branched flow of light》登上了Nature的封面，這一切都向我們證明肥皂泡仍有很多秘密值得探索。
正像英國著名的物理學家開爾文說過：“吹一個肥皂泡并且觀察它，你會用畢生之力研究它，并且由它引出一堂又一堂的物理課程。”大自然的奇妙與樂趣，值得我們用一生去探索。
參考文獻：
[1]凱瑟琳 尼克西.肥皂泡里的那些事兒[J].風流一代,2021(29):48-49.
[2]林邊,盧克.從虛空到實用小小肥皂泡：值得你研究一生[J].世界博覽,2021(19):72-73.