“美好的一天又要結(jié)束了,明天周末放假,今晚得吃點(diǎn)好的”,我一邊整理著桌面,一邊在心里盤算著等會買點(diǎn)什么。決定了,今晚要吃來自四川樂山的著名美食——甜皮鴨!
下班、去市場、買甜皮鴨、回家一氣呵成。正當(dāng)我美滋滋的打開包裝盒的時(shí)候,奇怪的事情發(fā)生了,這只鴨子怎么閃閃發(fā)光?難道是我太餓了已經(jīng)看不清楚了?
鴨肉在不同角度下呈現(xiàn)彩色金屬光澤
(圖片來源:作者拍攝)
經(jīng)過仔細(xì)的觀察,我發(fā)現(xiàn)金屬光澤只發(fā)生在肌肉敦實(shí)的地方,在骨頭、白色的脂肪層和表皮并沒有觀察到這個(gè)現(xiàn)象。因此,經(jīng)過合理的推測,這應(yīng)該與光和肌肉的相互作用有關(guān)系。欲知詳情如何,且聽我慢慢道來。
一、肌肉的結(jié)構(gòu)
肌肉微結(jié)構(gòu)示意圖
(作者漢譯,圖源見圖)
以骨骼肌為例,骨骼肌纖維即為肌肉細(xì)胞,呈細(xì)長形狀并且是多核細(xì)胞。骨骼肌由肌纖維束構(gòu)成,肌纖維束由肌細(xì)胞組成,肌細(xì)胞含有多個(gè)肌原纖維,肌原纖維又可以分為好幾個(gè)肌節(jié)。在肌肉的微細(xì)結(jié)構(gòu)中,又分為粗肌絲和細(xì)肌絲。
看著滿屏幕的“肌”字是不是快不認(rèn)識這個(gè)字了?沒關(guān)系,只需要知道,肌肉結(jié)構(gòu)說起來復(fù)雜,實(shí)際上看起來很簡單,就是規(guī)則的一條一條捆在一起,像電線電纜一樣。當(dāng)把肉橫切后,肌肉剖面則由一塊塊的小切面構(gòu)成。當(dāng)光打在煮熟,油亮的肌肉切面上時(shí),光的反射實(shí)際上是由一塊塊小切面完成的。
那么這和彩色反光有什么關(guān)系呢?請繼續(xù)向下看。
二、光波的干涉與光柵色散
當(dāng)雨滴淅淅瀝瀝的落在平靜地湖面上,湖面也變得活躍起來,上面的水波都在孤獨(dú)的畫著自己的圓圈,但好像相互之間又在干擾嬉戲。
雨滴落在湖面上
(圖片來源:veer圖庫)
光是一種電磁波,它在真空中傳播的速度是一個(gè)定值,通常用字母c表示,近似值是三十萬千米每秒。更為神奇的是,真空中的光速不與慣性參考系的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),也不與光的顏色,即光的頻率有關(guān)。由于在我們身邊的空氣中,折射率變化不大,因此由“頻率與波長相乘等于光速”這個(gè)關(guān)系可知,生活中一般我們也可認(rèn)為空氣中的光的顏色與波長相關(guān)。
單點(diǎn)光波源的傳播和雙點(diǎn)光波源的傳播
(圖片來源:作者提供)
如上圖所示,當(dāng)空間中只有一個(gè)點(diǎn)光波源時(shí),光的傳播就像水面上落下了一滴水,一圈圈的散開,并且隨著波遠(yuǎn)離光源,逐漸變?nèi)?。這是能量守恒的結(jié)果,因?yàn)殡S著圓圈的擴(kuò)大,能量是一定的,這必然導(dǎo)致波隨著傳播距離增大逐漸變?nèi)?。設(shè)想我們點(diǎn)燃一支蠟燭,火光也會離得越遠(yuǎn)而變得越暗。
當(dāng)空間中有兩個(gè)相距幾個(gè)波長的點(diǎn)光源后,波的傳播不再是各向均勻而是出現(xiàn)了指向性,在有些方向傳播的強(qiáng),有些方向傳播變?nèi)跎踔翚w零。這也是能量守恒的表現(xiàn)——在有些方向傳播能力強(qiáng)必然存在傳播較弱的方向,把能量集中起來。
對于肌肉的橫切面,想必就更為神奇了?沒錯(cuò),事情就是這樣!
三、光柵以及色散效應(yīng)
紅光和藍(lán)光在“肌肉模型”中的傳播行為
(圖片來源:作者提供)
對肌肉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和物理建模,每個(gè)肌肉纖維束視為相連為一起的波源,點(diǎn)光源間距遠(yuǎn)小于波長。而被肌膜隔開的間隙則可以視為連續(xù)波源的斷裂。根據(jù)圖7所示肌肉的微結(jié)構(gòu),肌纖維截面直徑約50μm,間隔約10μm。由此數(shù)據(jù),我們進(jìn)行光波在肌肉上反射后傳播仿真,發(fā)現(xiàn)神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了!
常壓下煮熟肌肉的掃描電鏡圖像
(圖片來源:參考文獻(xiàn)[2])
首先不論光的顏色如何,它們的傳播都出現(xiàn)了明顯的指向性。其次按照“紅橙黃綠青藍(lán)紫”排序,紅顏色的光波長長,藍(lán)色的光波長短,在這個(gè)過程中,除了中央垂直于肌肉表面的對稱線上,它們傳播方向一致外,紅光的偏折角度要小于藍(lán)紫光。這與玻璃折射行為是正好相反的。
而這個(gè)結(jié)構(gòu)就好像柵(zhà)欄一樣一格一格的,這個(gè)結(jié)構(gòu)也就被形象的稱之為“光柵(shān)”。至于為什么讀光柵(shān)就是另一個(gè)故事了。
每毫米1200條反光線的光柵
(圖片來源:作者拍攝)
由于不同顏色的光除了中心外呈現(xiàn)了不同的傳播角度,因此光柵結(jié)構(gòu)具有將光按顏色(準(zhǔn)確的說是波長、頻率)分開的作用,因此我們所光柵擁有色散能力。它的一個(gè)最重要應(yīng)用就是光譜儀。
光纖光譜儀結(jié)構(gòu)
(圖片來源:作者拍攝)
光柵色散效果圖
(圖片來源:作者提供)
在生活中有沒有光柵可以讓我們看到彩虹色的光?當(dāng)然有,那就是光盤。
光盤和六角扳手(注意看影子和顏色排序)以及光盤的電子顯微結(jié)構(gòu)
(圖片來源:作者拍攝)
光盤的微結(jié)構(gòu)也是一道道的柵欄樣,上面的點(diǎn)即為刻錄的信息。在圖中我們可以看到此時(shí)影子在左側(cè),說明太陽在右上方。而紅光在左側(cè)藍(lán)光在右側(cè),說明了紅光偏角要比藍(lán)光大,也符合我們的仿真結(jié)果。
因此,若也想看到閃閃發(fā)光的肉,可以嘗試傾斜觀察,因?yàn)榧∪鈾M截面基本是平的,斜著看才會有光柵的色散效果哦。通過以上仿真實(shí)驗(yàn),相信開頭的疑惑我們已經(jīng)解開。面對這塊閃閃發(fā)光的肉,不需要糾結(jié)能不能吃,盡情品嘗吧!
參考文獻(xiàn):
[1]鐘錫華. (2012). 現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ). 北京大學(xué)出版社.
[2]王志江, & 蔣愛民. (2015). 超高壓處理對熟制雞肉微觀結(jié)構(gòu)的影響. 食品與機(jī)械(1), 4.
出品:科普中國
作者:唐鴻洋(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
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