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有时,我们把这种积累能量的方法称为“共振效应”(resonance effect)。您不要认为“共振效应”只用在秋千这种小玩意上,有时不小心,还会出大问题,出现“共振灾难”(resonance catastrophe)。例如,当年拿破仑入侵西班牙时,一支法国军队行经丰坦卡桥时,因为齐步走的步伐频率刚好等于或接近大桥的固有频率,大桥共振的幅度过大而被震断,淹死了不少人。所以,现在军队过桥都严禁齐步走,否则可能出现拿破仑的军队当年遇到过的灾难(图10-2)。
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“共振灾难”也常常会给航空航天工业带来灾难性的后果。例如,20世纪70年代,英国的“彗星”式大型民航机,就是由于共振而坠毁;20世纪80年代,美国的航天飞机计划就几乎因为共振而夭折。现在,我们需要考虑的是,如果“共振灾难”不幸也出现在人体内,又会怎样呢?
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传递能量
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“共振”的另一功能就是可以把能量从一个物体传递到另一个物体。这种能量传递方法也可以是一点一点非常秘密地进行。更重要的是,这种能量传递方法可以是远程地、上千千米地传递,不需要管道,也不需要电缆,甚至可以在真空中传递能量。
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图10-3中的声学模型可以帮助我们来了解如何通过“共振”来传递能量的机理。在图10-3中,我们有两个音叉。这两个音叉的频率是完全一样的。不过,最开始时,一个音叉在振动,而另一个不动。例如,最开始时,1号音叉在振动,而2号音叉不动,但是在“听”。
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这时,1号音叉的能量在不断地损耗,只因为在它振动的过程中,它要不断地来回推动空气。然而,那个在静静“听”声音的2号音叉,却一点一点地开始动起来,因为这时空气振动的频率,与2号音叉的“本征频率”(eigen frequency),即“固有频率”完全相同,并且“相位”(phase)也正确匹配。所以2号音叉就像秋千一样,越摆越高,大大地振动起来。有趣的是,当2号音叉振动到最大幅度时,1号音叉就完全停下来了。或者说,1号音叉的能量全部转移到2号音叉上去了。事实上,这也就是德国古典医学“顺势疗法”(homoeopathy)药物的工作机理。
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电磁波共振
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前面我们讨论“共振”时,用的是声波和机械波,而所有的原则也同样适用于电磁波。所以,电磁波也能这样积累能量和传递能量。当然,电磁波也有一些特殊的地方,而这些特点使得电磁波更为丰富多彩。
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看不见的彩虹:人体的耗散结构
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图10-3能量一点点地从 1 号音叉传到 2 号音叉
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1. 电磁波的振动方向
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声波的媒体是空气,空气分子的运动方向是前后移动,与波的传播方向一致(见图10-3),称为“纵波”(longitudinal wave)。而电磁波的运动方向却与运动的方向垂直(见图10-4),称为“横波”(transverse wave)。
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看不见的彩虹:人体的耗散结构
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图10-4电磁波的运动方向和振动方向
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对于“横波”来说,除了运动方向之外,还有一个振动方向。同样方向运动的电磁波还可以有不同的振动方向,我们称为“偏振面”(polarisation plane)不同。在许多有机溶液中,电磁波的“偏振面”会转动。这一来,就使得由电磁驻波组成的电磁场身体更为丰富多彩。也就是说,人体内那“看不见的彩虹”比我们雨后看得见的彩虹不知要丰富多少。
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2. 电磁波传播速度
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电磁波的另一大特色是传播速度极快,可达每秒30万千米。而声波在空气中的传播速度只有每秒约340米,在金属中,也只有每秒1500米。
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您可以这样来想象电磁波的速度。例如,您坐在剧场的第一排正中心,您会认为您是第一个听到歌唱家歌声的人。然而你却错了,第一个听到歌声的很可能是坐在千里之外,但紧靠近收音机的那一位。因为那歌唱家手上的话筒要比你近得多。虽然到了话筒里的声音还要转换成电磁波,进行调制、放大、发送;然后千里之外的收音机收到了这些信号,再进行解调制,再转换成声波。但是,虽然进行了一系列复杂的转换,进行了千里之遥的传递,但紧靠近收音机的那位听众,还是比您先听到了歌声。
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3. 真空作为媒介
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也许,电磁波与声波最大的不同还是它们的传递媒介。声波的传递需要很实在的传递媒介,如空气分子或金属分子等。然而,电磁波却好像不需要传递媒介,因为电磁波可以在真空中自由地传播。
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也许我们可以这样说,“真空”就是电磁波的传递媒介。然而,“真空”意味着什么也没有,那么,用“真空”作传递媒介就是说:用什么也没有来作传递媒介。这一点,不但是普通人难以接受,就是物理学家也感到不舒服。在19世纪末,有许多物理学家曾热衷于寻找电磁波的传递媒介,所谓“以太”(ether)。他们对所谓“以太”的性质、运动速度、弹性模量(coefficient of elasticity)等都进行了详细认真的研究。然而,对“以太”的研究结果相当糟糕,不要说“以太”的性质和结构等,就是“以太”的运动速度也测不出来。
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