出品：科普中国
制作：五月 中科院长春光学精密机械与物理研究所
监制：中国科学院计算机网络信息中心
吹泡泡是我们小时候经常玩的小游戏。将一定量的洗衣粉与清水混合，搅拌均匀，用塑料圈蘸一下，轻轻吹一下。泡泡会随着春风到处飞舞，在阳光的照射下五彩缤纷。
图片来源：veer画廊
听起来很简单，但是你有没有想过这些问题：为什么清水吹不出泡泡？为什么肥皂水看起来很清澈但是泡泡在阳光下却是五颜六色的？其实小泡泡下面藏着很多科学知识。今天就让我们走近泡沫，探索它的秘密。
泡泡的诞生：表面张力是怎么回事？
我们平时用的泡水秘方其实很简单。肥皂或洗衣粉可以用热水溶解。为什么清水吹不出泡泡，而我们调制的肥皂水可以？这是关于气泡形成的原理。
首先要了解一个物理概念：表面张力。
不知道大家有没有注意到这些现象：雨水滴落在荷叶上，变成了圆形的水滴，一些小动物可以在水面上自由来去。它们依靠水的表面张力。
荷叶上的水滴(来源：veer Gallery)
水虫(来源：veer画廊)
液体表面具有自收缩的趋势，而这种自收缩的驱动力来自于液体内部和表面分子的不同引力场。对于液体表面的分子，内部液体分子的吸引力大于外部空气分子的拉力。所以在重力可以忽略的情况下，液体的面积趋于缩小，总是趋于形成一个球体。宏观上，这个力叫做液体的表面张力。
表面张力模型(来源：作者自制)
说到这里可能有人产生了新的疑问：表面张力使得液面面积有缩小的趋势，那么肥皂泡为什么还会存在呢？:问得好，的确如此。但是，既然表面张力不允许空气存在于水中，难道不能想办法降低表面张力形成大气泡吗？
在解释降低表面张力的方法之前，我们先重新认识一下肥皂和洗衣粉，它们也有一个名字“表面活性剂”。表面活性剂是一类易附集于界面、并对界面性质及相关工艺过程产生明显影响的物质。
历史上表面活性剂起源于洗涤剂，最基本的肥皂配方也有上千年的历史。古罗马作家普林尼是最早记录这一公式的人之一。据他观察，制作肥皂的方法是将油脂与碱混合，灰分溶于水的产物是一种碱。
肥皂分子：脂肪酸钠(来源：作者自制)
现在用的碱都是合成的，但产生的皂分子和过去差不多，都是由亲水的头基和亲油的尾基组成。由于亲油基团与水分子之间的排斥作用，为了找到能量最低的存在形式，表面活性剂分子会首先以亲水基团朝下(与水分子接触)、亲油基团朝上(与空气分子接触)的方式排列在水溶液表面。只有当液体表面没有空间接受新的表面活性剂分子时，新加入的表面活性剂分子才会移动到溶液中。
亲水基团被水分子向下吸引，但由于亲水基团的极性比水分子弱，所以这种吸引力比水分子之间的弱。油基被空气分子向上吸引，但由于体积比较大，可以接触更多的空气分子，同时极性较弱，更好的与空气分子融合吸引，强于空气分子和水分子。
整体来看，向下引力减弱，向上引力上升，表面活性剂分子的应力不平衡比水分子弱。因此，表面活性剂分子排列的水溶液表面明显弱于纯水分子表面，从宏观上看意味着表面张力降低。而这也是肥皂水能吹出泡泡的原因。
肥皂泡表面应力模型(来源：作者自制)
泡泡的颜色：五彩缤纷从何而来？
当我们在阳光下吹泡泡的时候，会发现泡泡的颜色像水一样动感多彩。其实，肥皂泡是无色的，之所以在阳光下呈现斑斓的色彩，是阳光在透明薄膜的上下表面反射和相互干涉形成的。
“反射”和“干扰”在生活中并不少见。我们可以在镜子里看到自己。
，依靠的就是光的反射。反射是指光在传播到不同物质时，在分界面上改变传播方向又返回原来物质中的一种现象。在遇到水面、玻璃以及其他许多物体的表面时，光都会发生反射。而肥皂膜是透明的薄膜，有上下两个表面，当太阳光照射在肥皂膜的表面时，会分别被薄膜的上下两个表面反射。物理学家研究表明，光像池塘里面的水波一样，具有很强的波动性。当你向池塘里面丢一颗石子的时候，产生的涟漪相遇，相互干涉的情况下发生了美丽的花纹。如果我们仔细观察的话，就会发现水波某些位置的振动一直加强，而另一些位置的振动一直在减弱。在物理学中，我们将两列或两列以上的波在空间中相遇时发生叠加或抵消从而形成新的波形的现象称为干涉。
相长干涉 （图片来源：作者自制）
相消干涉 （图片来源：作者自制）
同水波一样，当频率相同的光束相遇时，也会产生相互干涉的情况。值得一提的是，一定厚度的膜，只能使一定波长的光产生稳定的相长干涉或相消干涉，前者指的是两波的波峰（或波谷）同时抵达同一地点，干涉波会产生最大的振幅，后者则是两波的波峰和波谷相遇，使干涉波的振幅减小，而光波的振幅反映了光的强弱，给人眼以物体明暗的感觉。
干涉原理模型 （图片来源：作者自制）
由于肥皂膜各处的厚度并不均匀，根据相长干涉和相消干涉理论，阳光在厚度不同的膜面上，就会出现或加强、或减弱、或相互抵消的情况，在色彩上，则或红、或蓝、或绿，从而让肥皂泡显得色彩斑斓。
泡泡的启发：这么多的研究都来自它？
现如今，世界上的肥皂泡爱好者众多，他们成立了“国际泡泡艺术家协会”这样的全球性组织，致力于探究肥皂水秘方以吹出更大的泡泡，甚至还在不断刷新泡泡尺寸的世界吉尼斯记录，回应童年对于大泡泡的憧憬和向往。
小小的肥皂泡藏着大自然的秘密，物理学家通过它可以研究表面张力，数学家通过它可以研究最小曲面，生物学家通过它可以研究生物体内薄膜的生化机理，力学家通过它可以研究薄膜充气结构……肥皂泡在科研领域大有作为，给了科学家们很多的启示。
比如，在20世纪初，德国学者普朗特在研究弹性柱体的扭转时，发现在柱体中应力函数所满足的方程和在自重下薄膜满足的方程是一样的；而不久前，法国波尔多大学流体力学专家哈米德凯利将肥皂泡作为研究大气现象的理想模型，提出了自己关于气旋演变通用定律的猜想；甚至基于肥皂泡做的有关光的分支流的论文《Observation of branched flow of light》登上了Nature的封面，这一切都向我们证明肥皂泡仍有很多秘密值得探索。
正像英国著名的物理学家开尔文说过：“吹一个肥皂泡并且观察它，你会用毕生之力研究它，并且由它引出一堂又一堂的物理课程。”大自然的奇妙与乐趣，值得我们用一生去探索。
参考文献：
<1>凯瑟琳尼克西.肥皂泡里的那些事儿
<2>林边,卢克.从虚空到实用小小肥皂泡：值得你研究一生
