Warum lösen sich die „Ölflecken“ aus der frisch gespülten Tasse, sobald heißes Wasser eingegossen wird?

Wenn Sie zum Essen in ein Restaurant kommen, reicht Ihnen der Kellner begeistert eine Tasse heißen Tee. Sie werfen versehentlich einen Blick in die Tasse und stellen fest, dass „Ölflecken“ darin schwimmen!

Sind die verschlungenen Wasserschatten in der Teetasse Ölflecken? Quelle: Foto vom Autor

Sie bereuten also insgeheim, sich für ein „unsauberes“ Restaurant entschieden zu haben, gossen den Tee stillschweigend aus und ersetzten ihn durch eine Tasse heißes Wasser, und die „Ölflecken“ schienen wirklich ausgeschüttet und verschwunden zu sein. Aber sind die verschlungenen Wasserschatten in der Tasse wirklich Ölflecken?

01 Interlaced Wasserschatten

Tatsächlich basieren die ineinander verschlungenen Wasserschatten, die wir sehen, auf demselben Prinzip wie unsere Fähigkeit, Ölflecken im Wasser zu sehen. Beide beruhen auf Unterschieden im Brechungsindex der Flüssigkeit.

Klare Öl-Wasser-Grenze Quelle: Photo Network

Allerdings befindet sich in der Tasse nur heißes Wasser. Warum gibt es dann einen Unterschied im Brechungsindex? Könnte es sein, dass diese ineinander verschlungenen Wasserschatten die Eigenschaft haben, „Kälte zu hassen und Wärme zu mögen“? Lass es uns testen. Wir verwenden ein Abbe-Refraktometer, das den Brechungsindex einer Flüssigkeit auf der Grundlage des Prinzips der Totalreflexion von Licht misst. Gleichzeitig wird ein Wasserbad mit konstanter Temperatur verwendet, um den Brechungsindex von deionisiertem Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen zu messen:

Änderung des Brechungsindex von deionisiertem Wasser mit der Temperatur Quelle: Referenzen

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Brechungsindex der Flüssigkeit (deionisiertes Wasser) mit steigender Temperatur abnimmt. Es stellt sich heraus, dass, nachdem das heiße Wasser in die Tasse gelangt ist, ein Teil des heißen Wassers, das mit dem relativ kalten Boden und den Wänden der Tasse in Kontakt kommt, abgekühlt wird und eine lokale Konvektion mit dem umgebenden, noch heißen Wasser bildet. Der Brechungsindex dieser Bereiche, in denen sich Konvektion und Wassertemperatur erheblich ändern, ändert sich erheblich , sodass wir das Gefühl haben, als würden zwei verschiedene Flüssigkeiten fließen und wir ineinander verschlungene Schatten sehen.

Quelle des Heiß- und Kaltkonvektionsdiagramms: vom Autor selbst erstellt

Ein ähnliches Phänomen tritt auch auf, wenn man kaltes Wasser in eine heiße Tasse gießt. Der Schlüssel liegt im Temperaturunterschied zwischen der Tasse und der eingegossenen Flüssigkeit.

02 Fata Morgana

Es kommt nicht selten vor, dass man seltsame Lichtphänomene beobachtet, die durch Änderungen des Brechungsindex aufgrund von Unterschieden in bestimmten physikalischen Eigenschaften verursacht werden. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Fata Morgana, deren Ursache die unterschiedliche Luftdichte ist.

Luftspiegelungen werden in obere und untere Luftspiegelungen unterteilt. Obere Luftspiegelungen treten normalerweise auf See auf, weil die Dichte der unteren Luftschicht größer ist als die der oberen Schicht und der Brechungsindex der Luft von unten nach oben allmählich abnimmt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Flugbahn des vom Objekt in der Luft reflektierten Lichts eine nach oben konvexe Parabel, und das Bild des Objekts befindet sich über dem ursprünglichen Objekt, teilweise aufrecht und teilweise auf dem Kopf stehend.

Im Juli 2021 erschien auf der Meeresoberfläche der Dapeng-Bucht in Shenzhen eine Fata Morgana. Quelle: Shenzhen Evening News

Untere Luftspiegelungen treten normalerweise in heißen und trockenen Wüsten auf. Die Luftdichte in der unteren Schicht ist geringer als in der oberen Schicht, und der Brechungsindex der Luft nimmt von unten nach oben allmählich zu. Zu diesem Zeitpunkt ist die Flugbahn des vom Objekt in der Luft reflektierten Lichts eine nach oben gerichtete konkave Parabel, und das Bild des Objekts befindet sich unterhalb des ursprünglichen Objekts und ist invertiert.

Fata Morgana-Phänomen in der Sahara Quelle: Meipian

Welcher Zusammenhang besteht zwischen der bekannten physikalischen Größe „Dichte“ und dem Brechungsindex? Durch Messen des Brechungsindex von Saccharoselösungen unterschiedlicher Konzentrationen können wir feststellen, dass die Saccharoselösung mit einer höheren Dichte einen höheren Brechungsindex aufweist, während die Saccharoselösung mit einer niedrigeren Dichte einen niedrigeren Brechungsindex aufweist.

Der Brechungsindex einer Saccharoselösung ändert sich mit der Saccharosekonzentration. Quelle: Referenzen

Mit dieser Schlussfolgerung können wir das Fata Morgana-Phänomen simulieren: Gießen Sie die Hälfte einer Flüssigkeit mit höherer Dichte (z. B. gesättigtes Zuckerwasser, gesättigtes Salzwasser) in ein Glasgefäß, gießen Sie mithilfe einer transparenten Folie eine Flüssigkeit mit geringerer Dichte (z. B. reines Wasser) darüber, entfernen Sie vorsichtig die transparente Folie und beleuchten Sie das Wasser von der Seite mit einem Laserpointer. Sie werden feststellen, dass der Weg des Laserlichts nach oben konvex ist. Nachdem Sie eine brennende Kerze in das Glasgefäß gestellt haben, können Sie eine Fata Morgana beobachten.

Bildquelle: bilibili@HuoSpark Academy

Wenn die dichtere Lösung verdünnt wird, verringert sich ihr Brechungsindexgradient, der Grad der Lichtbrechung nimmt ebenfalls ab und die Fata Morgana verschwindet.

03 Magisches Material für Linkshänder

Warum also wird Licht gebrochen? Dieses Problem wurde bereits 1662 vom französischen Wissenschaftler Pierre de Fermat beantwortet: Der Weg der Lichtausbreitung ist der Weg, auf dem der Lichtweg seinen Extremwert annimmt. Dabei handelt es sich um das berühmte Fermatsche Prinzip.

Fermat-Bildquelle: Baidu Encyclopedia

Was ist der „ Pfad, bei dem der optische Weg Extremwerte annimmt “? Einfach ausgedrückt ist der Weg, den das Licht zwischen zwei Medien nimmt, keine gerade Linie und nicht die kürzeste Entfernung, sondern der Weg, der die kürzeste Zeit in Anspruch nimmt .

Brechungsdiagramm des Lichtwegs Quelle: Eigene Darstellung

Vor 41 Jahren entdeckte der niederländische Mathematiker Snell durch Berechnung, dass Licht, das vom ersten Medium (Brechungsindex n1) in das zweite Medium (Brechungsindex n2) einfällt, an der glatten Grenzfläche gebrochen wird und der Einfallswinkel θ1 und der Brechungswinkel θ2 die folgende Gleichung erfüllen:

Wir haben in der Mittelschule gelernt, dass sich Essstäbchen im Wasser aufgrund der Lichtbrechung „biegen“ (wie im linken Bild unten gezeigt), aber ist es uns möglich, das rechts gezeigte Phänomen zu beobachten?

Die Stäbchen sind "verbogen" Quelle: Vom Autor erstellt

Inspiriert von der bizarren Natur haben Wissenschaftler Materialien mit speziellen Strukturen entworfen und synthetisiert, die das optische Phänomen der „Rückbiegung“ der Essstäbchen im Bild rechts ermöglichen und nennen es das Phänomen der „negativen Brechung“. Durch die sinnvolle Nutzung der negativen Brechung werden viele fantastische Dinge möglich.

Wir wissen, dass Licht eigentlich eine elektromagnetische Welle ist. In der Elektromagnetik erfüllen die elektrische Feldstärke E, die magnetische Feldstärke H und die Ausbreitungsrichtung k der elektromagnetischen Welle die Rechte-Hand-Regel: Richten Sie die vier Finger Ihrer rechten Hand in die Richtung der elektrischen Feldstärke E und beugen Sie die vier Finger dann so, dass sie sich in einem Winkel von weniger als 180° in die Richtung der magnetischen Feldstärke H drehen. Dabei ist die Richtung des Daumens die Ausbreitungsrichtung k der elektromagnetischen Welle. Licht erfüllt in den meisten natürlichen Ausbreitungsmedien die Rechtshandregel, und diese Medien werden als „Rechtshandmaterialien“ bezeichnet.

Die Beziehung zwischen elektrischem Feld, magnetischem Feld und Ausbreitungsrichtung elektromagnetischer Wellen Quelle: sohu.com

Im Jahr 1968 entwickelte der sowjetische Physiker Veselago ein spezielles Medium (Material), das die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen gemäß der Linke-Hand-Regel ermöglicht. Er nannte dieses Material „Linkshändermaterial“.

Sowjetischer Physiker Viktor Georgievich Veselago Quelle: Wikipedia

Aus Sicht der Lichtausbreitung ist der Brechungsindex dieses Materials negativ, daher werden linkshändige Materialien auch als Materialien mit „negativem Brechungsindex“ bezeichnet.

Negatives Brechungsphänomen Quelle: baijiahao

Darüber hinaus sagte Veselago auch voraus, dass bei der Bestrahlung linkshändiger Materialien mit Licht die Energie in die entgegengesetzte Richtung fließt und so die Energie des Mediums reduziert wird. Daher ist zu erwarten, dass es sich in Zukunft um einen neuen Typ von Kühlmaterial handelt. Allerdings wurden Veselagos Vorhersagen von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht ernst genommen, der Wert seiner Forschungsarbeit wurde unterschätzt und die Entwicklung des Gebiets der Metamaterialien trat in eine dunkle Phase ein. Erst 33 Jahre später verwendeten Smith und andere vom Department für Physik der University of California in San Diego ein Verbundmaterial auf Kupferbasis, um eine spezielle Struktur mit negativer Dielektrizitätskonstante ε und magnetischer Permeabilität µ zu konstruieren. Mit diesem Verbundmaterial beobachteten sie das Phänomen der negativen Brechung und bestätigten, dass der gemessene Wert des Brechungsindex von linkshändigen Materialien negativ ist.

Das erste künstlich synthetisierte Doppelnegativmaterial Quelle: NetEase

Es wird prognostiziert, dass linkshändige Materialien im sichtbaren Lichtbereich breite Anwendungsmöglichkeiten haben werden, wie etwa Superlinsen (diese Art von Linse weist einen sehr geringen Lichtverlust auf und kann die Auflösung von Mikroskopen erheblich verbessern) und Tarnmaterialien (elektromagnetische Radarwellen werden beim Durchgang durch sie gebogen und umgangen, wodurch der Zweck hochwertiger Tarnung perfekt erreicht werden kann).

Superlens-Bildquelle: sohu.com

Obwohl dieses Material noch nicht in Produktion und Anwendung gelangt, wird es, wenn es realisiert werden kann, eine wichtige Rolle in der optischen Bildgebung, im Ingenieurwesen und in der Verteidigung spielen. Wir glauben, dass der Mensch in der heutigen Welt der rasanten technologischen Entwicklung immer noch über die magische Kraft verfügt, das Unmögliche in das Mögliche zu verwandeln. Vielleicht wird die Realisierung von Superlinsen und „Unsichtbarkeit“ schon in naher Zukunft erfolgen.

Verweise

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[3] Wei Wei, Peng Qiwei, Liu Caixia, Zhang Ting, Ruan Qianhui. Messung des Brechungsindex von Lösungen basierend auf dem Mirage-Prinzip [J]. Physikalisches Experiment, 2022, Bd. 42(5): 30-34

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Autor: Zhou Wending, Student der Fakultät für Physik der East China Normal University

Planung & Bearbeitung: Regen

Danksagung: Guo Weihong, PhD und leitender Ingenieur an der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hat die wissenschaftliche Beratung für diesen Artikel übernommen.