我刷手机刷出幻觉了？冰箱上怎么有神秘彩环啊？！

前阵子，一位小红书博主发现，把发光的手机屏幕放在冰箱门前，会投影出一圈圈界限分明、色彩绮丽的同心彩虹环：

大家可以找电脑显示屏或者家里的冰箱试一试，让手机屏幕常亮，多试试角度，大概率也能看到彩环：

作者手机在冰箱表面呈现的彩环

原帖评论区的讨论非常热闹，大家对于这个美丽的彩环感到惊奇，很多人还下了结论：终于知道为什么手机玩多了眼睛会累！一定是因为长时间看这些花里胡哨的色彩伤眼睛！

事实上，这个彩环是源于一种神奇的光学现象——薄膜干涉。这种现象在我们的生活中也并不少见，比如雨后水洼中漂浮的油膜、阳光下绚烂多彩的肥皂泡，都会出现类似的彩色图案，冰箱上的彩环也并不能成为使用手机会伤害眼睛的直接依据。

路边油膜在阳光下呈现彩色干涉图样

（图片来源：wikipedia）

要想搞清楚冰箱上的彩环是怎么产生的，就要从光的波动性说起。

光的干涉：明暗条纹的秘密

我们首先需要回到光的一个核心身份：波。

想象一下，你向平静的湖面投下一颗石子，水面上会立刻荡开一圈圈的涟漪，这就是水波。在经典物理中，光也是一种以波的形式在空间中传播的能量，我们称之为光波。

每一个波都拥有自己的“步调”——波峰与波谷，而且能够相互叠加。如果在水面同时投下两颗靠得很近的石子，两组涟漪会相遇、交织，在水面上形成复杂的图案。在某些地方，两组波的波峰与波峰相遇，水面被高高拱起，振动变得更强；在另一些地方，波峰波谷，它们完美地互相抵消，水面恢复了平静。

两个涟漪相互叠加，形成干涉图案

（图片来源：Veritasium）

这种波的叠加、加强或抵消的现象，在物理学中被称为干涉。当两个波峰相遇导致振动加强，我们称之为干涉相长；当波峰与波谷相遇导致振动减弱甚至消失，我们称之为干涉相消。

光的干涉在原理上和水波的干涉类似，只不过光的“水面”是我们眼睛的视网膜或相机的感光元件。当两束光发生相长干涉，就会形成明亮的光斑；当它们发生相消干涉，则会产生黑暗的区域。

光的干涉最典型的例子就是杨氏双缝干涉实验。一束相干单色光（如激光）垂直照射在一个不透明的挡板上，该挡板上刻有两条间距极小且相互平行的狭缝，将同出一源的光分之为二。这两列源于同源的波在缝后的空间中传播，并且会发生叠加。

在远处的接收屏上，对于任意一点，来自两条狭缝的光波所经过的路径长度存在差异，即光程差。当光程差等于波长的整数倍时，两列波在该点的振动加强，形成相长干涉，表现为一条亮条纹；当光程差等于半波长的奇数倍时，两列波的振动抵消，形成相消干涉，表现为一条暗条纹。最终，屏幕上呈现出的是一系列明暗相间、间距相等、且平行于双缝的干涉图样。

杨氏双缝干涉实验（图片来源：https://www.shmoop.com/study-guides/optics/young-double-slit.html）

手机膜的薄膜干涉

给手机贴膜是门精细活（图片来源：Mobile Fun）

想象一下贴膜的过程：你已经用刮板费尽心力地排除了所有肉眼可见的气泡，但在微观世界里，绝对的平整是不存在的。手机的玻璃屏幕和钢化膜的玻璃底面贴合时，它们之间不可能做到完全接触，必然会禁锢住一层极其微薄、厚度不均的空气层。

这层被夹在手机屏幕和手机膜之间、厚度仅有纳米或微米级别的空气层，正满足了干涉发生的条件：透明，允许光线穿过；极薄，使得分裂后的光束光程差恰到好处；最重要的是，它的厚度并非均匀，这会产生一种特殊的干涉：薄膜干涉。

薄膜干涉示意图（图片来源：wikipedia）

手机屏幕发出光后，会遇到了在其上方的空气薄膜，并发生分裂：一小部分光直接透射，另一部分则被薄膜反射，然后又在手机镜面反射后，再出射出去，返回到我们的视野中。显然，经历多次反射的光比直接透射的光多走了一段路程——它在空气薄膜中走了一个来回。

这段额外的路程称为光程差。当两束光的光程差是波长的整数倍时，它们到达同一点时相位相同，会相互叠加增强，形成亮条纹；当两束光的光程差是半波长 (λ/2) 的奇数倍时，它们到达同一点时相位相反，会相互抵消减弱，形成暗条纹。

环形条纹与等厚干涉

空气薄层发生的薄膜干涉会产生明暗条纹，我们再来探讨为什么条纹会呈现出同心圆的形状。

干涉图样的形状主要取决于手机膜和屏幕之间的空气薄膜的形状。手机膜与屏幕贴合后，两者并非是绝对平行的。如果在贴膜时，从手机屏幕的中心向四周施加压力，中心区域的接触会更为紧密，空气层最薄；越往外，空气层的厚度越是均匀地、呈放射状地增大。或者，手机膜本身就存在着一种肉眼无法察觉的、极其微弱的全局性弯曲，像一个曲率半径极大的透镜。

在这种情况下，空气层会发生一种特殊类型的薄膜干涉——等厚干涉。这是在厚度不均匀的薄膜上形成的干涉，对于薄膜厚度相同的地方，光程差也相同，从而形成同一条干涉条纹。对于手机的空气层而言，如果厚度相同的地方大致形成一个圆，那么干涉图样就会表现为一系列明暗相间的同心圆。

牛顿环就是一种典型的等厚干涉的现象。一个平凸透镜和一块平面玻璃之间形成一个空气薄层，当光线照射到这个薄层时，从透镜的下表面和玻璃的上表面反射的两束光发生干涉，就会形成了一系列明暗相间的同心圆环。

典型的等厚干涉图样——牛顿环

（图片来源：Amrita University）

构造牛顿环的实验仪器示意图

（图片来源：bog5.in.ua）

为什么是彩色的圆环？

不过，我们在冰箱上看到的并非简单的明暗圆环，而是绚丽的彩虹环。这是因为我们的光源（无论是环境光还是手机屏本身的光）都是白光，虽然看起来是单一的，但其实是由多种颜色的光混合而成的，就像一道小彩虹，包含了红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等所有可见颜色。

不同颜色的光，波长各不相同，而光是否发生干涉，需要判断光程差是否是波长的整数倍。这意味着在同一个点上，可能对于特定波长的红光会发生相长干涉，而对某种蓝光来说却会出现相消干涉。在空气层靠近中心的薄区域，波长较短的蓝、紫色光更容易满足相长干涉条件，因此内圈的颜色偏蓝紫；随着厚度增加，满足干涉条件的颜色逐渐向波长更长的红、橙色光过渡。

因此，我们看到的每一个彩色环，都是一个微型的光谱。白光在这里被分解，一些颜色被加强，另一些颜色被削弱，我们的眼睛接收到的，正是这番“加减法”之后的混合色，从而呈现出彩虹的顺序。越往外，不同颜色的亮环和暗环互相重叠、混淆，最终彩环会变得模糊，逐渐恢复成白色。

肥皂膜的彩色干涉图案（图片来源：哈佛大学）

结语

阳光下肥皂泡表面流动的七彩光晕，雨后水面上汽油泛出的绮丽光斑，它们都遵循着完全相同的薄膜干涉原理。与此同时，薄膜干涉还在现代光学技术中发挥重要作用。你的眼镜片和相机镜头上可能会有一层淡淡的紫色或绿色镀膜，称为增透膜。工程师精确计算并镀上特定厚度的薄膜，让反射回来的光发生相消干涉，从而使更多的光能够穿透镜头，让你的视野更清晰、照片更锐利。反之，也可以设计增反膜，让特定颜色的光被强烈反射，用于制造激光器的反射镜和各种滤光片。

所以，下次再看到手机在某个屏幕上投射出彩色图样，不用再怀疑是手机刷多了眼花啦~

蝴蝶翅膀上的亮丽蓝斑同样是薄膜干涉的杰作

（图片来源：wikipedia）

陈明远，南京大学光学工程博士。