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这篇Nature封面文章,小学生或许真能重复

2020年的学术圈就是一个大瓜田。还算比较新鲜的一个瓜,就是小学生们纷纷用癌症研究成果在某全国性的科技创新大赛中拿奖。不知道各位有相关研究经历的读者看到这些新闻时是什么心情,笔者当时脑海里蹦出的却是电影《让子弹飞》中的一个场景——张麻子(伪马县长)见到汤师爷“八岁的儿子”……

图片来源:姜文电影《让子弹飞》


是非曲直以及相关社会现象,这里就不多讲了。今天要介绍的,是一篇近期发表在Nature 上并被选为当期封面的研究,笔者觉得其中的实验操作可比基因扩增、肿瘤动物模型操作要简单不少,搞不好小学生还真能轻松重现。


如该论文标题所体现的,该研究是对光的“分支流(branched flow)”的首次报道。实验的主要内容是:把激光束照射到肥皂泡上,用微弱的气流扰动泡泡,拍下视频,如下图所示。

图片来源:Nature


是的,上面动图中展示的现象就是这篇Nature 封面最核心的内容:光的“分支流(branched flow)”。

图片来源:Nature


为什么看似这么简单的实验能发在Nature 上呢?这还要从分支流说起。


当波在介质中传播时,在一些情况下,根据介质的不同,会出现衰减、分散、弯曲、扩散或流动等不同过程,其传播路径也会发生劈裂,看起来就像一棵持续分叉的树,称为分支流。这个现象最早在电子(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,并且能够帮助解释海浪、声波以及石墨烯中电子输运等现象。


大家都知道,光具有波粒二象性,也就是说,光也是一种波。这么说来,光也应该能表现出分支流现象,但有趣的是,这种现象却从未被报道过。


那么怎样才能观察到光的分支流呢?


过去的研究指出,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。


上面这段话翻译为人话就是:你需要一个激光笔和一个肥皂泡!

肥皂泡的特殊之处在于,它的厚度通常在5 nm到几微米之间波动,造成液膜之间的折射率的波动,正好满足分支流需要的条件。当厚度波动在一到二个波长范围内时,折射率的改变相当显著,以致于能造成光的偏转。


研究人员测量了肥皂泡的厚度。方法是中学物理中就已经涉及到的光的干涉(回忆一下美好的中学时光)。从下图d-f中可以看到二维的彩色图案(在阳光下吹一个肥皂泡,你也能看到类似的图案)。由于不同颜色对应于不同的液膜厚度,通过简单换算就可以得到图g-i中的液膜厚度分布图。研究人员还据此计算出势函数的相关长度lc以及波动程度v0

图片来源:Nature


研究人员搭建了一个装置(下图左侧),在它的帮助下,就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(下图右侧)。

图片来源:Nature


随后研究人员用平面波代替激光束进行上述实验。从下图d-f中可以看到,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lcv0-2/3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。

图片来源:Nature


尽管后续的统计和理论解释应该是专业的研究人员才能胜任的,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,小学生重复起来也毫无压力,而且还很有乐趣。


Nature还为这个研究做了个介绍的视频,很值得带上家里的小朋友一起看。

视频来源:Nature Video [1]


PS:大千世界,其实还有很多等待发掘的现象,只是我们需要一双发现的眼睛。从这个角度讲,中小学生急吼吼的进课题组,急功近利式的搞科研,其实并没有好处。无论是人才培养,还是重要的原创发现,都需要更淡泊的心态。


“何夜无月?何处无竹柏?但少闲人如吾两人者耳。”

——苏轼《记承天寺夜游》


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Observation of branched flow of light

Anatoly Patsyk, Uri Sivan, Mordechai Segev, Miguel A. Bandres

Nature, 2020, 583, 60-65, DOI: 10.1038/s41586-020-2376-8


参考资料:

1. A laser show in a soap bubble

https://www.nature.com/articles/d41586-020-01991-5


(本文由荷塘月供稿)


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