我们首次观察到光流分支

长江的支流,老树的丫杈。当波经过某种媒介时,也会发生类似的情况:波的路径分裂出较小的岔道,仿佛树的树枝。

这被称为分支流,可在诸如电流,海浪和声波等涉及流动的现象中观察到。现在,物理学家第一次在可见光下观察到它——所需的只是激光和肥皂泡。

或许有人好奇说,闪电不就是分叉的光路吗?闪电的分支结构是电流。

根据介质的结构,波可能会发生不同的事情。它们可以衰减,分散,弯曲,扩散或继续流动。

对于分支流,需要一些特殊属性。介质的结构必须是随机的,并且结构中的空间变化必须大于流的波长。同时结构必须平滑变化。

如果满足所有这些条件,则结构中的细微扰动就会导致流分裂。

尽管这种行为在波中无处不在,但事实证明,对于可见光,观察到它是具有挑战性的任务。也就是说,直到以色列理工学院和佛罗里达大学的物理学家想出办法为止。

肥皂膜由夹在两层表面活性剂分子之间的非常薄的液体薄膜组成。该膜的厚度变化很大,从大约五纳米到几微米。这些厚度的变化会在肥皂泡中产生五颜六色的图案……但事实证明,它们还可以微扰源,使气流中的光线发生偏转,从而使流分裂并分支。

不过,这并不容易。激光需要射入两个表面活性剂层之间的空间。物理学家是通过将纤维插入曲面膜的膜中,或将宽椭圆形的光束耦合到平面膜中来实现的。

研究人员能够观察到光束在膜表面的分裂方式。当他们用微弱的白光照亮薄膜时,他们会看到厚度的变化——表现为颜色变化——分裂了光束。

通常,肥皂膜周围的空气流动会导致图案移动,但如果将膜与空气隔离,则该图案可以保持稳定几分钟。因此,研究小组还在稳定的和移动的肥皂膜上测试了他们的激光器。

这项研究蕴藏的可能性是巨大的。使用气泡作为介质可以给光流体领域带来启发,光流体领域是研究光与液体相互作用的科学门类。

研究人员指出,使薄膜增厚可以使支流在三个维度上流动——一种仅存在于理论中的现象,但从未被观察到。

它也可以用于探索其他物理现象,包括广义相对论的某些方面。

研究人员在论文中写道:“可以将肥皂薄膜制成各种弯曲的表面,以研究弯曲空间中的分支流动。这种弯曲的空间实验与广义相对论密切相关。”

该研究已发表在《自然》上。

原文:https://www.sciencealert.com/physicists-have-observed-light-flowing-like-a-river-and-it-s-beautiful

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