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1700723211 图3-5的“干涉实验”是在可见光的范围内进行的。我们在雨后初晴时在小水坑的表面上看到的五彩缤纷的“干涉图案”也只是在可见光的范围内。事实上,同样的“干涉现象”也会在那幽灵一样的、看不见摸不着的电磁波世界中发生,从而产生许多,虽然是看不见的,却更为“五彩缤纷”的花纹。
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1700723213 在不可见世界中,干涉现象形成的结构
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1700723215 在这儿,我们首先要指出:“干涉现象”不但会产生更为丰富的图案和色彩,还会产生更为丰富的结构。这种由波产生的结构往往是一种动态的结构,但在一定的条件下,这种结构也可以相当稳定。
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1700723217 粗粗看来,要用不停运动的波来形成一种稳定的结构是很困难的。但是,正如图3-6所表达的,只要一个波在两个反射面之间来来回回地跑,就会产生一种稳定的“驻波”。
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1700723222 图3-6弦上的一维驻波
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1700723224 图3-6所表达的,只是在一根弹性弦上的机械“驻波”。如果这根弦的两边都没有尽头,并且我们不考虑能量的损耗。那么一个机械波就会同时向两个不同的方向越跑越远,跑向无穷。然而,当这一根弦的两端被固定时,波就会在弦的端头上被反射回来,向着相反的方向前进。这向后行进的波与向前行进的波会“叠加”在一起,产生“驻波”。这样一来,尽管波还是在不停地跑,但正如我们可以在图3-6中可以看到的,它们形成了一个纺锤体接一个纺锤体似的稳定结构。
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1700723226 用数学的术语来说,图3-6的驻波称为“一维”驻波,也就是在一根线上的驻波。同样的原理,驻波也可以在“二维”的情况下产生,也就是在一个平面上产生驻波,就如图3-7所示。
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1700723228 在这儿,我们还想再次强调一下,图3-6和图3-7所示的“干涉图案”只是机械波,并且是肉眼可见的(如图3-6),或者用平板上的小颗粒使之变得肉眼可见(如图3-7)。
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1700723230 事实上,这种“干涉图案”往往不是肉眼可见的。不用说广大的电磁波,它的频率比声波和机械波要宽得多,可从0.0000000001赫兹一直到1,000,000,000,000,000,000,000,000赫兹,即使机械波或声波,也是肉眼不可见的。而这种肉眼不可见的动态而又稳定的“驻波”或“干涉图案”常常起着很重要的作用。
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1700723232 例如,大家都知道小提琴有一个非常漂亮的外貌,也有相当动听的声音,但人们很少想到这美丽的外貌和悦耳的声音之间有什么必然联系。从波的角度来看,小提琴的美丽琴身只是一只“谐振腔”,用来选择不同频率的驻波。或者说,某些特定频率会在这个谐振腔内部形成驻波的干涉图案(图3-8),从而得到强化,而其余的频率,因为不能形成驻波而被衰减掉了。
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1700723237 看不见的彩虹:人体的耗散结构
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1700723242 图3-7平板上的“二维驻波”所形成的“干涉图案”
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1700723244 这样,谐振腔形状就决定了哪些特定频率的声波会得到强化,并且持续时间较长;而其余的频率则会被衰减掉许多。于是,谐振腔形状就决定了频率的组合。用物理学家的话来说,音乐家所说的不同“音色”(tone colour, timbre),就是不同的“泛音”(overtone),即“倍频”的组合。简单地说,谐振腔的形状和材料会决定“音色”。所以,小提琴的美丽琴身不是单纯地为了好看,更是为了得到悦耳的“音色”。
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1700723246 也就是说,音乐家所说的“音色”,的确就是美丽的颜色,即不同频率的组合。但却是我们肉眼所看不见的颜色。或者说,这也是我们看不见的却是非常美丽的彩虹。
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1700723248 其实,图3-7和图3-8所表达的还是“二维的驻波”或“二维的干涉图案”。在三维情况下,这种“驻波”或“干涉图案”就更复杂了,并且事实上就是一种三维的、动态的、立体的空间结构。
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1700723250 听不见的音乐:电磁波音乐
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1700723252 这儿还值得指出,虽然图3-8中的干涉图是肉眼看不见的,但所幸的是,它们还是听得见的,是“听得见的”音乐。所以,尽管我们不能用肉眼看见琴身内部那非常美丽并且变幻无穷的干涉图案,但我们还是可以用耳朵尽情享受那悦耳的音乐以及美丽的“音色”(tone colour),也就是说,可以用耳朵来欣赏那看不见的“彩色”(colour)。
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1700723257 图3-8用干涉仪测出的小提琴琴身内的稳定干涉图案
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1700723259 可惜,我们耳朵的能力也是很有限的,我们只能听到20赫兹到20,000赫兹的声波。我们把高于20,000赫兹的称为“超声波”,我们听不见,但蝙蝠能听见;我们又把低于20赫兹的称为“次声波”,我们也听不见,但许多动物都能感受到,这就是为什么许多动物能预先知道大风暴或大地震的原因。例如,在2004年12月26日印度洋的海啸中,二十多万人不幸丧生,但却几乎没有动物死亡。原因很简单,因为沿着地壳传播的次声波远在海啸到达之前就已经到了有关区域,使得动物们有足够的时间逃跑。
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