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图12.14 电子的双缝干涉实验
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图片取自维基百科Double-slit experiment词条，该实验照片由Dr. Tonomura拍摄
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读罢本章，想必你对量子物理感觉更加迷惑了，那么请找来大师费曼写的小书《QED: the strange theory of light and matter》（中译本《QED：光和物质的奇异性》），跟随量子物理的祖师之一来学习这上乘的功夫吧。
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[1].后来我发现世界上其他很多国家都有这首古老的歌曲，英文叫做“Twinkle twinkle little star”，德国、法国也有。而且据维基百科说这首小曲还给了诸多音乐大师创作的灵感，如莫扎特、巴赫、李斯特等。
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[2].在量子物理中，我们通常用电子伏特而不是焦耳来作为能量的单位。这样就能把微观世界和宏观世界的物理量更清晰地联系起来。
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） [:1701074937]
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我们都是科学家：那些妙趣横生而寓意深远的科学实验（修订版） 13 大音叉 小音叉
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一分钟简介
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本章介绍各种音叉的有趣故事。通过测量普通音叉在发声时声音强度在空间中的分布，我们可以探索声波的干涉现象，并澄清一个由来已久的误解。然后我们将目光转向无处不在，但又常被人忽视的石英小音叉，来看它在现代前沿物理实验中的奇妙运用。
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闲话基本原理
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音叉，可能大家都听说过，或许不少人还见过，一般它是由铝或铜做成，可以发出长久悦耳的单音。给吉他或其他弦乐器调音的时候，我们可以用音叉发出的音作为基准来调节琴弦的松紧度。图13.1展示了一个我自己通过弯折一根铝条做成的山寨版音叉。虽然其貌不扬，但是的确能产生悦耳的单音，并达到“余音绕梁，十秒不绝”的效果。
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图13.1 其貌不扬的音叉
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但是，为什么音叉要做成这么奇怪的形状呢？你或许注意到，如果握住一根金属条，直接敲击地面，它只能发出非常沉闷的声响，而且很快就消失了。但如果把这根金属条从空中坠落，撞击地面并被弹回，我们就能听到清脆的声音，在金属条最终“歇”在地面上之前，这个声音都会不绝于耳。这是因为金属条被撞击以后发生振动，如果它是被手握住的，则振动传递到手上很快就衰减了，所以它发出的声音短促而沉闷；如果它是悬空的，则被撞击时获得的弹性势能可以储存在金属条里，慢慢地衰减，从而使得金属条长久地振动，发出清脆悠扬的声音。你可能会问，音叉也是被人握在手上，为什么它会发出清脆的声音呢？我们来看图13.2。
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图13.2 音叉发声过程
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图13.2描述了一个音叉被撞击以后发生的情况。假设它的右臂被敲击了一下，那么它的尖端部分会向左弯曲（图中进行了夸张），并且由于获得敲击给予的动量，整个音叉都试图朝左边运动。由于惯性作用，音叉左臂靠近尖端的部分运动得比底部靠近横梁的部分要慢一些，所以它就会向右弯曲（图中进行了夸张）。这样两根金属臂就都储存了弹性势能。并且由于两臂的质量、材质、形状都一样（换句话说，它们具有相同的弹性系数），并关于把手对称，所以很快左右两臂的振动幅度就达到一致了，且相位恰好相差180°，即它们的运动方向刚好相反。这样一来，两臂在振动中对于横梁的作用力总是相抵消的，在横梁正中间的把手不会感受到左右的振动。储存在音叉两臂中的弹性势能不会通过握住它的手衰减，而只会通过与空气摩擦，以及金属材料变热来缓慢地消耗，所以音叉通常能发出很长久的声音。如果突然握住其中的一臂（不需要握住两臂），则由于图13.2中对称的运动方式被破坏，另一臂的振动也很快地通过把手衰减，声音就会戛然而止。
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通过这种对称的结构来产生悠扬声效的乐器可不在少数，如山寺古钟，横截面铸成圆形，悬挂点是圆心。撞击以后悬挂点并不感受到振动，弹性势能衰减缓慢，所以大钟才能持久低吟，激起闻者的万千思绪和诗情。
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除此之外，音叉还有一个有趣的特点，就是如果绕着正在发声的音叉一周（或者在耳边旋转音叉），我们能听到忽高忽低的声音。我记得似乎是初中物理课上，老师给我们演示过这个现象。教科书上解释说，这是由于音叉两臂所发出的声波彼此干涉，在空间中有些地方干涉相消，有些地方干涉相长，所以才会有这种声音强度的变化。不像光波的干涉随处可见，声波的干涉是生活中颇为稀罕的事情。所以如果我们能定量地测量这种现象，从而推测出声波的波长，这将是个有趣的实验。
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动手实践
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