神秘的肥皂泡「小小的肥皂泡藏着大大的秘密」

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一个小游戏。用清水混合上一定量的洗衣粉，搅拌均匀后用塑料圈蘸一下，轻轻一吹，泡泡就会随着春风四处飞散，在阳光的照耀下五彩缤纷。

图片来源：veer图库

听上去很简单，但你是否好奇过这些问题：为什么清水没法吹出泡泡？为什么肥皂水看起来是清澈的但泡泡却在阳光下五颜六色呢？其实小小的泡泡下藏着很多的科学知识，今天就让我们一起走近泡泡，探索它身上的秘密。

泡泡的诞生：表面张力是怎么回事？

我们平时用的泡泡水的秘方其实很简单，用热水冲溶肥皂或者洗衣粉即可。那为什么清水不能吹出泡泡，而我们调制的肥皂水却可以？这就要从泡泡形成的原理说起。

首先我们要明白一个物理概念：表面张力。

不知道大家有没有注意过这些现象：雨滴落在荷叶上的时候会变成圆圆的水珠滚动，有一些小动物可以在水面上来去自如。它们所依托的就是水的表面张力。

荷叶上的水珠 （图片来源：veer图库）

水面虫子 （图片来源：veer图库）

液体的表面具有自动收缩的倾向，而这种自动收缩的驱动力源于分子在液体内部和表面所受的不同引力场。对于液体表面的分子而言，受到来自内部液体分子的引力要大于外部空气分子的拉力。因此，在可以忽略重力的情况下，液体有面积缩小的趋势，总是趋向于形成球形，而在宏观上，这种力被称为液体的表面张力。

表面张力模型 （图片来源：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？好问题，的确如此。不过既然表面张力不让水里面存在空气，那我们想办法降低表面张力不就可以形成大泡泡了吗？

在解释降低表面张力的方法前，我们先来重新认识一下肥皂和洗衣粉吧，它们还有个名字叫“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。

从历史发展看，表面活性剂源于洗涤剂，最基础的肥皂配方已有数千年的历史，古罗马作家普林尼是最早记录下这一配方的人之一。据他观察，制作肥皂的方法正是将油脂和碱混合，而灰烬溶于水后的产物就是一种碱。

肥皂分子：脂肪酸钠 （图片来源：作者自制）

如今所用的碱都是人工合成的，但生成的肥皂分子与过去的大同小异，都由亲水的头部基团和亲油脂的尾部基团组成。由于亲油基与水分子之间的排斥，为了寻求能量最低的存在形式，表面活性剂分子首先会以亲水基朝下（与水分子接触）、亲油基朝上（与空气分子接触）的形式在水溶液表面排列。只有当液面没有空间接受新的表面活性剂分子时，新增的表面活性剂分子才会向溶液内部移动。

亲水基受到水分子向下的吸引力，但由于亲水基的极性弱于水分子，这种吸引力便弱于水分子之间的吸引力；亲油基受到空气分子向上的吸引力，但由于相对较大的体积使亲油基可以与更多空气分子接触，同时更弱的极性也使亲油基能更好的与空气分子互相融合吸引，这种吸引力要强于空气分子与水分子的吸引力。

整体而言，向下的引力减弱，向上的引力上升，表面活性剂分子的受力不平衡状况要弱于水分子，因此有表面活性剂分子排列的水溶液表面，显然比单纯的水分子表面受力不平衡的情况更弱，从宏观上看，就是表面张力降低。而这，也就是肥皂水能吹出泡泡的原因。

肥皂泡表面受力模型 （图片来源：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，我们会发现泡泡的颜色像水一样动态流转且斑斓多彩。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”与“干涉”在生活中并不少见。我们照镜子能看到自己，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[J].风流一代,2021(29):48-49.

[2]林边,卢克.从虚空到实用小小肥皂泡：值得你研究一生[J].世界博览,2021(19):72-73.

肥皂泡中有什么秘密？

经常看到小朋友玩吹肥皂泡的游戏，有的用嘴巴吹，有的用泡泡枪打，一串串肥皂泡在阳光下飞舞，五颜六色。为什么肥皂泡都是球形，而不是方形？又是谁给它们画上了美丽的图案呢原来是一种叫“表面张力”的力在作怪！我们都知道，水是由许多水分子组成的，每个水分子由一个氧原子和两个氢原子组成。每个氢原子带一个正电荷，每个氧原子带两个负电荷。相邻水分子之间的正、负电荷端相互吸引，就形成了表面张力。而自来水中的水分子间的吸引力很强，吹气形成的水泡薄膜在这么强大的力量下很快破裂，在空气中无法形成泡泡。加入洗洁精或洗衣粉后情况就不一样了，水分子散开，吸引力减弱，吹入空气就形成了肥皂泡。大家都知道，在相等体积的情况下，球体的表面积是最小的。对于肥皂泡而言，由于表面张力的存在，肥皂泡的薄膜会尽可能收缩到最小，直到里面的空气被压得不能再小为止。所以，肥皂泡都是滚圆滚圆的。
那肥皂泡上花花绿绿的图案又是怎样形成的呢？这是因为白色是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光组成。当白光照射肥皂泡时，由于肥皂泡非常薄，并且是透明的，使白光被分离成组成它的各种色光，有的红、有的绿、有的篮……用带静电的梳子靠近肥皂泡时，肥皂泡被吸引离开吸管。这说明肥皂泡很轻并且容易带上静电，这一点与塑料棒吸引小纸片的原理是一样的。
科学家真是厉害，利用小小的肥皂泡现象就能破解宇宙黑洞秘密，太不可思议了。两位物理学家给肥皂泡施加外力，但是使肥皂泡膜保持一种表面张力，在这种情况下肥皂泡能够展现多样化的自然现象。目前只能对这一系列现象进行研究计算。研究人员把这种薄膜理论应用于黑洞系列的研究中。
在宇宙中，一个黑洞是由一个巨大星体燃烧产生的大部分氢气自行坍塌形成的，大部分都位于星系的中心。科学家们认为黑洞能够吸引越来越多的宇宙物质，变得越来越大，并同时产生雾化。科学家Vitor Cardoso指出：”肥皂泡就像是—个了解黑洞的良好工具。

肥皂泡有彩色条纹是因为发生了

肥皂泡有彩色条纹是因为发生了光波的干涉现象。

肥皂泡薄膜非常薄，只有微米或亚微米的数量级。当光线照射到薄膜上之后，会有透射和反射两个过程。干涉现象跟反射有关。光线在第一个面发生第一次反射，当剩余光线进入薄膜后，又在第二个面上发生第二次反射。结果两个反射光产生叠加干涉形成一个新的波长的光线。薄膜满足一定条件时，就会使反射的一定波长的两个光相互抵消，薄膜便出现了该抵消光的互补色。由于受重力的作用，不同位置薄膜厚度不一样，干涉的波长也不同，所以，在不同的位置我们会看到不同的互补光的颜色。

肥皂泡变成彩色的原因：

肥皂膜本身是无色的，就像一张透明的玻璃纸一样，阳光在肥皂膜的正面和背面都会产生反射。当阳光穿过正面，遇到背面，立刻反射过来；反射回来的光线回到正面，又会引起一定的反射。由于阳光是由七种单色组成的，如果在肥皂薄膜的某一处恰好使得两股反射回来的红光相互抵消了，在这个地方可以看到的就是失去了红光的阳光，看上去就是蓝绿色。而在另一个部分，某种色光得到了加强，呈现出来的就是另一种颜色。肥皂泡就是这样把阳光分解，呈现色彩斑斓的颜色的。

其实，不仅肥皂泡会产生这种现象，光线射入任何透明薄膜是，都会产生这种现象。如我们常见到水上油膜、蜻蜓或苍蝇的翅膀、CD片等，在太阳光的照射下，都会显得色彩缤纷。这个道理与肥皂泡呈现彩色的道理是一样的。这是因为阳光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色组成的。当它在薄膜正反两面来回反射时，由于这两个面之间的距离极微小，分别从正面和背面反射出来的两束光线就可能重叠，这样一来，阳光中的七种颜色光在不同厚度的地方，有的会得到加强，有的却会减弱，甚至相互抵消。于是，膜上有的地方显得红一些，有些地方显得蓝一些，有些地方又显出别的颜色，于是我们就看到了五颜六色。也称为薄膜色。这样的现象叫作光的干涉，原来这的是太阳搞的鬼！大自然真是蕴含着很多奥秘，等着我们去探索呢！

肥皂泡泡不断变化的原因：

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。

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。

中国肥皂起源：

肥皂宋代时就出现了一种人工合成的洗涤剂，是将天然皂荚(又名皂角、悬刀、肥皂荚，通称皂角)捣碎细研，加上香料等物，制成桔子大小的球状，专供洗面浴身之用，俗称“肥皂团”。宋人周密《武林旧事》卷六《小经纪》记载了南宋京都临安已经有了专门经营“肥皂团”的生意人。

明人李时珍《本草纲目》中记录了“肥皂团”的制造方法：肥皂荚生高山中，树高大，叶如檀及皂荚叶，五六月开花，结荚三四寸，肥厚多肉，内有黑子数颗，大如指头，不正圆，中有白仁，可食。十月采荚，煮熟捣烂，和白面及诸香作丸，澡身面，去垢而腻润，胜于皂荚也。除了天然皂荚，如无患子等类的植物，也流传于民间，成为一种很好的洗涤剂。

在西方，可能要追溯到4000年前古希腊的一个叫勒斯波斯的小岛。当地人用动物祭天，由于焚烧动物时要用木材，木材的灰烬和动物脂肪混合产生了肥皂样的黄色物质。大雨把这些东西冲刷到当地妇女经常洗衣的河流中，她们发现因此衣服洗的更干净。虽然从古希腊开始，就可以发现使用类似肥皂的痕迹，历史上记载有一个叫萨佛(Sappho，aponification)的女诗人，记载了这些故事。后来的人为了纪念她，就把这个过程叫做皂化，化学名称是制皂(SoapMaking)。另外，公元前3000年，美索布达米亚人发现，植物燃烧后的灰烬类的碱性物质，与油混合后，具有去污力，这亦是肥皂的来源之一。

不过高卢人应该是尝试去制作香皂且成功的第一人，他们当时称香皂为“sapo”，当时的皂类是一种含有动物油脂和植物灰烬混合而成的软膏状物质。当sapo的制作手法渐渐地被传入到地中海地区时，阿拉伯人就将sapo加以改良成橄榄油及苏打制成的硬质肥皂。这时，肥皂开始被大量制造。而真正普遍使用肥皂还是18世纪和19世纪的事。

在18世纪末工业革命工业问世后，获得了大量的价廉的碳酸钠，促使肥皂工业有了新的发展。但是到了20世纪中期，合成化学和石油化工的发展为洗涤剂提供了廉价的化工原料，促使了合成洗涤剂的兴起，使得肥皂工业的发展发生了很大的变化，但近年环保意识抬头己被忽略的手工皂才又兴起，由于手工皂有其天然特有的性能，各种组成极易被生物降解且易于被污水处理过程中的微生物分解，因此不会引起河流、湖泊和水道的污染问题。