洗ったばかりのカップにお湯を注ぐとすぐに「油汚れ」が出てくるのはなぜでしょうか？

レストランに食事に来ると、ウェイターが熱心に熱いお茶を一杯手渡してくれます。ふとカップの中を覗いてみると、なんと「油汚れ」がカップの中に浮いている！

ティーカップに絡み合った水の影は油染みでしょうか？出典：著者撮影

そこで、あなたは密かに「不潔な」レストランを選んだことを後悔し、黙ってお茶を注ぎ、代わりにお湯を入れたカップに入れ替えると、本当に「油汚れ」が注ぎ出されて消えたように見えました。しかし、カップの中の織り交ぜられた水の影は本当に油汚れなのでしょうか?

01織り交ぜた水の影

実際、私たちが目にする織り交ぜられた水の影は、水中の油染みが見えるのと同じ原理に基づいており、どちらも液体の屈折率の違いによるものです。

明確な油と水の境界 出典: Photo Network

しかし、コップの中にはお湯しか入っていないのに、なぜ屈折率に差が出るのでしょうか？この絡み合った水影は、「寒さを嫌い、暑さを好む」という性質を持っているのでしょうか？テストしてみましょう。私たちは、光の全反射の原理に基づいて液体の屈折率を測定するアッベ屈折計を使用しています。同時に、一定温度のウォーターバスを使用して、さまざまな温度での脱イオン水の屈折率を測定します。

脱イオン水の屈折率の温度による変化 出典: 参考文献

実験結果によると、液体（脱イオン水）の屈折率は温度の上昇とともに低下します。熱湯がカップに入った後、比較的冷たいカップの底と壁に接触した熱湯の一部が冷却され、周囲の静止した熱湯と局所的な対流を形成することがわかります。対流と水温の変化が大きいこれらの領域では屈折率が大きく変化し、あたかも2つの異なる液体が流れ、絡み合った影が見えるように感じられます。

熱対流と冷対流の図の出典：著者自作

同様に、熱いカップに冷たい水を注ぐと、同様の現象が発生します。鍵となるのは、カップと注がれた液体の温度差です。

02 ミラージュ

特定の物理的特性の違いによる屈折率の変化によって奇妙な光現象が見られることは珍しくありません。蜃気楼はその典型例であり、根本的な原因は空気の密度の違いにあります。

蜃気楼は上蜃気楼と下蜃気楼に分けられます。上層蜃気楼は通常、海上で発生します。これは、下層の空気の密度が上層の空気の密度よりも大きく、空気の屈折率が下から上に向かって徐々に低下するためです。このとき、物体が空中で反射した光の軌跡は上に凸の放物線となり、物体の像は元の物体より上になり、一部は直立し、一部は反転します。

2021年7月、深セン市大鵬湾の海面に蜃気楼が現れた。出典：深センイブニングニュース

低レベルの蜃気楼は通常、暑く乾燥した砂漠に現れます。下層の空気密度は上層よりも小さく、空気の屈折率は下から上に向かって徐々に増加します。このとき、物体が空中で反射した光の軌跡は上に凹んだ放物線となり、物体の像は元の物体より下になり、反転します。

サハラ砂漠の蜃気楼現象 出典：メイピアン

よく知られている物理量「密度」と屈折率にはどのような関係があるのでしょうか？異なる濃度のショ糖溶液の屈折率を測定すると、密度の高いショ糖溶液は屈折率が高く、密度の低いショ糖溶液は屈折率が低いことがわかります。

ショ糖溶液の屈折率はショ糖濃度によって変化します。出典: 参考文献

この結論を利用して、蜃気楼現象をシミュレートすることができます。ガラス瓶に密度の高い液体（飽和砂糖水、飽和塩水など）の半分を注ぎ、透明フィルムを使用してその上に密度の低い液体（純水など）を注ぎ、透明フィルムを慎重に取り除き、レーザーペンを使用して側面から水を照らします。レーザー光の経路が上向きに凸になっていることがわかります。ガラス瓶の中に燃えているろうそくを入れると、蜃気楼を観察することができます。

画像ソース: bilibili@HuoSpark Academy

濃い溶液が薄まると屈折率の勾配が減少し、光の屈折度も減少し、蜃気楼は消えます。

03 魔法の左利き素材

では、なぜ光は屈折するのでしょうか?この問題は、1662 年にフランスの科学者ピエール・ド・フェルマーによってすでに解答されました。光の伝播経路は、光路が極値をとる経路であり、これは有名なフェルマーの原理です。

フェルマー画像出典: Baidu 百科事典

「光路が極値をとる経路」とは何ですか？簡単に言えば、 2 つの媒体間の光の移動経路は直線ではなく、最短距離でもありませんが、最短時間で移動する経路です。

屈折光路図 出典: 著者による

41 年前、オランダの数学者スネルは計算によって、光が第 1 の媒体 (屈折率 n1) から第 2 の媒体 (屈折率 n2) に入射すると、滑らかな界面で屈折し、入射角 θ1 と屈折角 θ2 が次の条件を満たすことを発見しました。

中学校では、箸が水中で光の屈折により「曲がる」と習いました（下の図の左）。では、右の現象を観察することはできるのでしょうか？

箸が「曲がっている」 出典：著者作成

科学者たちは、この奇妙な性質にヒントを得て、右の写真の箸が「逆方向に曲がる」という光学現象を可能にする特殊な構造を持つ材料を設計・合成し、これを「負の屈折」現象と呼んでいます。負の屈折をうまく利用すれば、多くの素晴らしいことが可能になります。

光は実際には電磁波であることがわかっています。電磁気学では、電界強度 E、磁界強度 H、電磁波の伝播方向 k は右手の法則を満たします。つまり、右手の 4 本の指を電界強度 E の方向に向け、次に 4 本の指を曲げて、4 本の指が 180° 未満の角度で磁界強度 H の方向に向くようにします。このとき、親指の方向が電磁波の伝播方向ｋとなる。光はほとんどの自然伝播媒体において右手の法則を満たしており、これらの媒体は「右手系物質」と呼ばれます。

電界、磁界、電磁波の伝播方向の関係 出典: sohu.com

1968年、ソビエトの物理学者ヴェセラゴは、電磁波が左手の法則に従って伝播することを可能にする特殊な媒体（材料）を考案しました。彼はこの素材を「左利き用素材」と呼んだ。

ソ連の物理学者ヴィクトル・ゲオルギエヴィチ・ヴェセラゴ 出典: Wikipedia

光の伝播の観点から見ると、この材料の屈折率は負であるため、左手系の材料は「負の屈折率」材料とも呼ばれます。

負の屈折現象 出典：baijiahao

また、ベセラゴ氏は、左利きの物質に光を照射するとエネルギーが逆方向に流れ、媒体のエネルギーが減少するとも予測しており、将来的には新しいタイプの冷凍材料になると期待されている。しかし、ヴェセラゴの予測は科学界に真剣に受け止められず、彼の研究成果の価値は過小評価され、メタマテリアル分野の発展は暗黒期に入った。それから33年後、カリフォルニア大学サンディエゴ校物理学部のスミスらは、銅をベースとした複合材料を用いて、負の誘電率εと透磁率μを持つ特殊な構造を構築し、この複合材料を用いて負の屈折現象を観測し、左手系物質の屈折率の測定値が負であることを確認した。

人工的に合成された最初の二重ネガティブ物質 出典：NetEase

可視光域の左利き材料は、スーパーレンズ（このタイプのレンズは光損失が非常に少なく、顕微鏡の解像度を大幅に向上させることができます）やステルス材料（レーダーの電磁波が通過するときに曲がって迂回するため、高品質のステルスの目的を完全に達成できます）など、幅広い応用展望があると予測されています。

スーパーレンズ画像出典: sohu.com

この材料はまだ生産・応用されていませんが、実現できれば光学イメージング、エンジニアリング、防衛の分野で重要な役割を果たすことになります。私たちは、急速な技術発展を遂げる今日の世界において、人間には常に不可能を可能にする魔法の力があると信じています。おそらく、スーパーレンズと「透明化」の実現は近い将来でしょう。

参考文献

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[4] 賈秀麗、王暁欧、周忠祥、孟清新。キラル負屈折率材料の最近の進歩[J]。中国光学、2015年、Vol. 8(4): 548-556

著者: 周文定、華東師範大学物理学科の学部生

企画・編集：レイン

謝辞: 中国科学院大学の博士号および上級エンジニアである Guo Weihong 氏が、この記事の科学的な指導を提供しました。