闪闪发光的肉,我到底能不能下口?
发布时间:2022-07-22
出品:科普中国
作者:唐鸿洋(中国科学院光电技术研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  “美好的一天又要结束了,明天周末放假,今晚得吃点好的”,我一边整理着桌面,一边在心里盘算着等会买点什么。决定了,今晚要吃来自四川乐山的著名美食——甜皮鸭!

  下班、去市场、买甜皮鸭、回家一气呵成。正当我美滋滋的打开包装盒的时候,奇怪的事情发生了,这只鸭子怎么闪闪发光?难道是我太饿了已经看不清楚了?


  鸭肉在不同角度下呈现彩色金属光泽

  (图片来源:作者拍摄)

  经过仔细的观察,我发现金属光泽只发生在肌肉敦实的地方,在骨头、白色的脂肪层和表皮并没有观察到这个现象。因此,经过合理的推测,这应该与光和肌肉的相互作用有关系。欲知详情如何,且听我慢慢道来。

一、肌肉的结构


   肌肉微结构示意图

  (作者汉译,图源见图)

  以骨骼肌为例,骨骼肌纤维即为肌肉细胞,呈细长形状并且是多核细胞。骨骼肌由肌纤维束构成,肌纤维束由肌细胞组成,肌细胞含有多个肌原纤维,肌原纤维又可以分为好几个肌节。在肌肉的微细结构中,又分为粗肌丝和细肌丝。

  看着满屏幕的“肌”字是不是快不认识这个字了?没关系,只需要知道,肌肉结构说起来复杂,实际上看起来很简单,就是规则的一条一条捆在一起,像电线电缆一样。当把肉横切后,肌肉剖面则由一块块的小切面构成。当光打在煮熟,油亮的肌肉切面上时,光的反射实际上是由一块块小切面完成的。

  那么这和彩色反光有什么关系呢?请继续向下看。

二、光波的干涉与光栅色散

  当雨滴淅淅沥沥的落在平静地湖面上,湖面也变得活跃起来,上面的水波都在孤独的画着自己的圆圈,但好像相互之间又在干扰嬉戏。


  雨滴落在湖面上

  (图片来源:veer图库)

  光是一种电磁波,它在真空中传播的速度是一个定值,通常用字母c表示,近似值是三十万千米每秒。更为神奇的是,真空中的光速不与惯性参考系的运动状态有关,也不与光的颜色,即光的频率有关。由于在我们身边的空气中,折射率变化不大,因此由“频率与波长相乘等于光速”这个关系可知,生活中一般我们也可认为空气中的光的颜色与波长相关。



  单点光波源的传播和双点光波源的传播

  (图片来源:作者提供)

  如上图所示,当空间中只有一个点光波源时,光的传播就像水面上落下了一滴水,一圈圈的散开,并且随着波远离光源,逐渐变弱。这是能量守恒的结果,因为随着圆圈的扩大,能量是一定的,这必然导致波随着传播距离增大逐渐变弱。设想我们点燃一支蜡烛,火光也会离得越远而变得越暗。

  当空间中有两个相距几个波长的点光源后,波的传播不再是各向均匀而是出现了指向性,在有些方向传播的强,有些方向传播变弱甚至归零。这也是能量守恒的表现——在有些方向传播能力强必然存在传播较弱的方向,把能量集中起来。

  对于肌肉的横切面,想必就更为神奇了?没错,事情就是这样!

三、光栅以及色散效应


  红光和蓝光在“肌肉模型”中的传播行为

  (图片来源:作者提供)

  对肌肉的结构进行数学建模和物理建模,每个肌肉纤维束视为相连为一起的波源,点光源间距远小于波长。而被肌膜隔开的间隙则可以视为连续波源的断裂。根据图7所示肌肉的微结构,肌纤维截面直径约50μm,间隔约10μm。由此数据,我们进行光波在肌肉上反射后传播仿真,发现神奇的现象出现了!


  常压下煮熟肌肉的扫描电镜图像

  (图片来源:参考文献[2]

  首先不论光的颜色如何,它们的传播都出现了明显的指向性。其次按照“红橙黄绿青蓝紫”排序,红颜色的光波长长,蓝色的光波长短,在这个过程中,除了中央垂直于肌肉表面的对称线上,它们传播方向一致外,红光的偏折角度要小于蓝紫光。这与玻璃折射行为是正好相反的。

  而这个结构就好像栅(zhà)栏一样一格一格的,这个结构也就被形象的称之为“光栅(shān)”。至于为什么读光栅(shān)就是另一个故事了。


  每毫米1200条反光线的光栅

  (图片来源:作者拍摄)

  由于不同颜色的光除了中心外呈现了不同的传播角度,因此光栅结构具有将光按颜色(准确的说是波长、频率)分开的作用,因此我们所光栅拥有色散能力。它的一个最重要应用就是光谱仪。

   

  光纤光谱仪结构

  (图片来源:作者拍摄)

  光栅色散效果图

  (图片来源:作者提供)

  在生活中有没有光栅可以让我们看到彩虹色的光?当然有,那就是光盘。



  光盘和六角扳手(注意看影子和颜色排序)以及光盘的电子显微结构

  (图片来源:作者拍摄)

  光盘的微结构也是一道道的栅栏样,上面的点即为刻录的信息。在图中我们可以看到此时影子在左侧,说明太阳在右上方。而红光在左侧蓝光在右侧,说明了红光偏角要比蓝光大,也符合我们的仿真结果。

  因此,若也想看到闪闪发光的肉,可以尝试倾斜观察,因为肌肉横截面基本是平的,斜着看才会有光栅的色散效果哦。通过以上仿真实验,相信开头的疑惑我们已经解开。面对这块闪闪发光的肉,不需要纠结能不能吃,尽情品尝吧!

参考文献:

  [1]钟锡华. (2012). 现代光学基础. 北京大学出版社.

  [2]王志江, & 蒋爱民. (2015). 超高压处理对熟制鸡肉微观结构的影响. 食品与机械(1), 4.

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