分叉是生活中的常见现象，比如河流分支、树木生长。在微观世界中，波也有分叉现象，我们称之为“分支流”。但科学家从未观察到光的此类现象，因为光有强大的散射，很难汇聚。最近，一位博士生将激光照向美丽的肥皂泡，意外看到了光的分支流。这个由肥皂泡和激光束共同组成的光流体系统中的相互作用，和光与固体的相互作用很不同，这或许为理解自然界中的分支流现象提供了新的机会。
光的散射是天空呈现一片蔚蓝的原因。当光穿过不均匀的介质时，通常会向各个方向散射，要让光汇聚起来是很困难的。然而，当以色列理工学院的一位博士生将激光照向肥皂膜时，令人意外的事情发生了，这些光自然地汇聚成细丝，并且像树枝一样不断分叉，形成了奇妙的分支流。
实际上，分支流现象普遍存在于自然界中不同波长的波当中，从石墨烯中速度达到相对论极限的电子，到声波，甚至海浪。科学家早在2001年就观察到了二维电子气中的电子分支流，不过，这是人们第一次将这一现象扩展到光学领域。相关研究以《对光的分支流的观察》为题发表在近期的《自然》杂志上。
此次实验中之所以能够观察到光的分支流现象，肥皂膜这种介质的特殊性质可谓功不可没。要了解这一点我们得深入微观世界。
从微观上看，肥皂膜是两层表面活性剂中间夹着一层水膜，由于表面活性剂分子的密度不同，膜的厚度可以在5纳米到数微米之间平滑地变化。对于在薄膜中传播的光线而言，这种厚度的变化会相应地导致介质的折射率发生变化，在较厚的薄膜中，折射率的变化比较小，但是当薄膜厚度接近光的一两个波长时，折射率的变化会相当大，从而有效地散射肥皂膜中的光。
要观察到光的分支流非常具有挑战性，尤其是作为实验平台的肥皂膜很不稳定，甚至有可能突然破碎。实验中，为了观察激光在肥皂膜内部的传播，研究人员将一根光纤插入经过特殊处理而能保持不破碎的平面薄膜，让激光从膜的两层表面活性剂之间注入，与薄膜耦合。由于激光在传播过程中会部分地散射，我们可以实时地直接观察到光波在薄膜中的传播。
仅仅用激光和肥皂膜就能发现如此有趣的现象，这甚至超出了实验人员自己的期待。最初，以色列理工学院的博士生Anatoly Patsyk想要测量的是另一种截然不同的现象，在过程中他意外地观察到了光的分支流，但在很长一段时间里，没人能解释他看到的现象。他和实验室的其他同事合作，升级实验设备，直到从诸多因素中找出肥皂膜厚度变化这一主要原因，才逐渐理解了背后的原理，这前后一共经过了一年多时间。
观察到光的分支流为理解自然界中普遍存在的分支流现象提供了一个新的机会。尤其引人注目的是，作为此次实验平台的肥皂膜是一种流体，它和激光束共同组成了一个光流体系统。光流体学研究光与流体的相互作用，这和光与固体的相互作用具有根本不同。流体的流动性、光可能对流体产生的作用、传导热量时扩散和对流的作用，所有这些都会导致光流体系统中出现诸多复杂的非线性现象。
由此看来，对于未来的相关研究，肥皂膜或许会是一个理想的实验平台。