《泡沫》中隱藏的科學(xué)密碼

徐海 楊敏 楚婉苓

【編者按】科普也可以很時(shí)尚。聽歌，是我們常用的娛樂休閑方式。有時(shí)可能僅僅是因?yàn)橐皇赘瑁澄桓枋志统闪宋覀兊摹皭鄱埂?。?dāng)我們聆聽著這些不同風(fēng)格、不同唱腔甚至蘊(yùn)含著不同情感的歌曲時(shí)，如果能夠再進(jìn)一步，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些歌曲中不僅有著廣泛的、深入大眾的美學(xué)，甚至其中還深藏著可能你未曾注意、未曾了解的科學(xué)知識(shí)。

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(cuò) 謊言再多

基于你還愛我

這首《泡沫》是鄧紫棋于2011年創(chuàng)作的一首傷感情歌。那時(shí)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(gè)人買了機(jī)票飛去美國紐約，在那停留了一個(gè)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(gè)畫面很美，但在當(dāng)時(shí)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(lián)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(shí)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(huì)產(chǎn)生疑問，我們難道不講科學(xué)知識(shí)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(shí)就是被洗滌劑分子包裹著的一層薄薄的水膜。那么，當(dāng)光照射到這一層水的薄膜時(shí)，都會(huì)發(fā)生些什么呢？或許我們已經(jīng)知道，空氣和水都是可以透過光的介質(zhì)，它們的交界處叫作“界面”。當(dāng)光遇到一個(gè)界面時(shí)，一部分會(huì)被反射回來，還有一部分會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，發(fā)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(gè)“空氣-水”界面。光從空氣中遇上水膜，先后遇到這兩個(gè)“空氣-水”界面，每遇到這個(gè)界面時(shí)，便會(huì)有一部分的光直接發(fā)生反射改變?cè)瓉淼姆较?，而另一部分?huì)發(fā)生折射直至有一部分穿過水膜回到空氣當(dāng)中。于是，其中一部分的光會(huì)在水膜中循環(huán)反射多次，發(fā)生干涉現(xiàn)象。

○ 泡泡呈現(xiàn)不斷變化的色彩

干涉是光的一種基本性質(zhì)。同一時(shí)刻在同一位置上的多條光波會(huì)互相疊加各自的光強(qiáng)度，也即發(fā)生了干涉現(xiàn)象。而干涉產(chǎn)生的效果與相位有關(guān)，以致產(chǎn)生兩個(gè)極端的效果——同相更強(qiáng)，反相相消。在物理學(xué)上，將兩束光的峰值疊加在一起變得更強(qiáng)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(shí)際的干涉會(huì)介于相長干涉和相消干涉之間。

○ 泡泡在一定時(shí)間內(nèi)可以穩(wěn)定存在

○ 表面分子結(jié)構(gòu)示意圖

光的頻率（也即光的顏色）以及薄膜的厚度對(duì)實(shí)際干涉的具體情況又會(huì)產(chǎn)生影響，以至于某些波長的反射光會(huì)被削弱，而有的波長則會(huì)被增強(qiáng)，光強(qiáng)度的增減使薄膜上出現(xiàn)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(huì)往下滴水。同理，在重力因素的影響下，泡泡頂部的水膜會(huì)先變薄，再加上水分的蒸發(fā)，使得水膜上光的干涉情況時(shí)刻發(fā)生變化，使泡泡呈現(xiàn)出光影的變化。

一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)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(shí)間內(nèi)，它是如何穩(wěn)定存在呢？

○ 在手掌上燃燒的火焰（供圖 / 徐海）

通過經(jīng)驗(yàn)，我們都知道泡泡不能用純水吹出來，這是因?yàn)榧兯谋砻鎻埩艽?，水分子?huì)緊緊地聚在一起，所以它只會(huì)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(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，是因?yàn)楸砻婊钚詣┑淖饔?。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(qiáng)的分子間力，在數(shù)學(xué)上，相同的體積球形表面積最小，所以泡泡就會(huì)成為球形。泡泡膜上的水分子蒸發(fā)較快，因此，濕度大時(shí)，泡泡存在的時(shí)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(jié)構(gòu)均由兩部分構(gòu)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?zhǔn)艿娇諝夥肿酉蛏系奈?，且這種吸引力要強(qiáng)于空氣分子與水分子的吸引力，原因是相對(duì)較大的體積使疏水尾鏈可以與更多空氣分子接觸，同時(shí)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(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在的原因了。

科學(xué)魔法秀

當(dāng)火在手上燃燒會(huì)是什么樣的感覺？ 我們都知道當(dāng)人手觸碰100℃的沸水時(shí)，會(huì)燙傷。那火焰呢？火焰有高達(dá)幾百攝氏度的溫度，如果將火在手上燃燒，會(huì)怎么樣呢？結(jié)果如你想象，炙熱的火苗會(huì)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(jìn)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(dāng)中，直至產(chǎn)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(diǎn)火槍或者打火機(jī)點(diǎn)燃泡沫，你將會(huì)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(huì)充滿丁烷氣體。丁烷易燃，在燃燒時(shí)會(huì)放熱。將完全浸濕的手和一堆充滿丁烷氣體的氣泡點(diǎn)燃，在這個(gè)過程中，氣泡的破裂會(huì)吸收大量熱量，同時(shí)手被水層保護(hù)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(huì)被燙傷的原因。

徐海

【溫馨提示】丁烷易燃，火焰會(huì)產(chǎn)生高溫，為了安全，一定要在專業(yè)人士的指導(dǎo)下才可以進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)！