[科普中国]-游戏里的肥皂泡为什么是五颜六色的

吹肥皂泡可能是很多人童年时玩过的游戏。五彩缤纷的泡泡在空中飘荡，泡泡上还会倒映出彩色的树木房屋，就像童话里的场景一般。

（图片来源：https://en.wikipedia.org/, by Brocken Inaglory）

可是，肥皂泡为什么会出现彩虹一样的绚丽色彩，还不断地发生着变化呢？ 而你有没有注意过，当肥皂泡的色彩渐渐褪去变成灰黑色的时候，就快要破裂了呢？

而这些，其实都源于一种叫“薄膜干涉”的光学现象。我们通常用洗涤剂（洗洁精、洗衣粉等等）以一定的比例兑水来吹肥皂泡，所以泡泡就是被洗涤剂分子包裹着的一层薄薄的水膜。那么，当光照射到这一层水的薄膜时，都发生些什么呢？

空气和水都是可以透过光的介质，它们的交界处叫作“界面”。当光遇到一个界面时，一部分会被反射回来，还有一部分会继续前进，发生折射。例如，把一根筷子插进水里，如果我们从侧面看，就会发现水里的筷子弯折了，这就是折射；而当我们俯视水面时，如果角度合适的话也能看到筷子的镜像，这就是反射了。这组成肥皂泡的薄薄的水膜，就拥有两个“空气-水”的界面：光从空气中遇上水膜，也就是第一个“空气-水”界面时，一部分反射，一部分折射；而折射的部分穿过水膜，又遇到第二个“空气-水”的界面，这时又有一部分光被反射了回去，而另一部分则穿过它，回到了空气里。 这样，有一部分光在离开水膜之前，就会被来来回回地反射很多次。

光有一种性质——同处一处的多条光波会相互叠加自身的强度。这样的现象叫做“干涉”，是一种“同相更强，反相相消”的效果：如果一束光的峰值和另一束光的峰值叠加在一起，结果就会变得更强； 而如果一束光的峰值和另一束光的谷值叠加在一起，结果就会相互抵消。这两类现象分别叫做“相长干涉”和“相消干涉”。

在肥皂泡薄膜中被来来回回反射的光，就会发生干涉。 不过通常来讲，完全的相长干涉和完全的相消干涉是两个极端，实际干涉的情况会介于两者之间。 而且实际干涉的情况和光的波长（也就是颜色）、以及薄膜的厚度都有关系，这就使有些颜色的反射光被削弱了，有些颜色的反射光被增强了。于是，薄膜上就产生了变化的色彩，而不再是“白色”的日光了。

当一个肥皂泡被吹出来之后，它并非是坚固不变的，泡泡的厚度其实一直在变化。在重力的作用下，泡泡顶部的水会往两侧流动，导致泡泡顶部比底部先变薄；与此同时，泡泡中的水分也会不断蒸发。 总的来说，泡泡从吹出来之后就会慢慢变薄，最后薄到承受不住外界的压力冲击，就破了。在肥皂泡不断变薄的过程中，薄膜干涉的情形也会随之变化，使得肥皂泡表面呈现出不断变化的色彩。

七彩的肥皂泡不仅仅可以欣赏，我们其实还可以从泡泡的色彩上推断它的厚度。计算机模拟的结果表明，泡泡表面反射光的颜色，和入射光的入射角、以及薄膜厚度的关系图，也像一条绚丽的彩虹。

比较厚的薄膜，它们反射的颜色基本就在浅浅的红色和绿色之间交替变化。 但当薄膜厚度降到500nm以下时，更多的色彩开始出现，并且颜色也会变得更加鲜艳。比如，鲜艳的金色和蓝色，就出现在薄膜厚度在100nm到450nm之间的时候。这个厚度，差不多只有头发丝直径的200分之一。 如果再薄下去，薄膜就将逐渐黯淡，变成灰黑色了。 这是因为这时候薄膜已经薄到无法对可见光形成有效的干涉，大部分光都穿过薄膜“流失”了，所以也就基本就没有反射光了，显示出灰黑色。这时候，肥皂泡就离破裂不远了。

所以，当你看到泡泡上出现鲜艳的金色、蓝色相间的条纹时，你就知道它快要撑不住了。 如果你想在泡泡里吹更多的泡泡，那最好选择从浅红、浅绿的地方戳进去，因为只有那里的泡泡薄膜才比较厚，经得住戳。

薄膜干涉的现象，不仅仅只出现在肥皂泡上。任何厚度与可见光波长差不多的透明薄膜，在合适条件下都会产生这种薄膜干涉。例如，水塘上的油污膜也会呈现彩虹色；相机镜头、防蓝光眼镜镜片、被火烧过的刀片表面，也都会显示出特殊的色彩。这些色彩的背后，其实都是薄膜干涉的效果。

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