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波行天下  

2009-01-13 15:51:10|  分类: 新刊推荐 |  标签: |举报 |字号 订阅

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波行天下 - kxsj - Newton-科学世界

撰文/唐云江

   大诗人苏东坡之妹苏小妹是个才女,传说在新婚之夜把新郎秦少游拒之门外,要他对上对联方可入得洞房。苏小妹出了上联“闭门推出窗前月”,秦少游想了好久而不得解,苏东坡急忙出手相助,拾起一块石头投入平静的池塘,秦少游顿悟佳句“投石冲开水底天”。这是波动给他带来的灵感,他若是能对出一个与声音有关的句子可能会更有意境,因为人获取外界信息基本上除了看就是听,所谓耳闻目睹也。
   水面波是我们能直接观察到的最常见的一种波。想象一池无边的池水,投石其中,激起一波涟漪,这列水波会一直向外扩散,渐行渐远,直到天边,这是波动传播机械能的最直观和典型的例子。波动是自然界最广泛存在的一种运动形式,也是传递能量和信息最基本和最主要的形式。我们听到远方的雷鸣,是我们的耳朵感知到空气中机械波的振动;我们看到遥远的恒星,是我们的眼睛感知到电磁波的起伏。用哲学一点的语言说,波动是世界的存在方式一点也不为过。
   上学时,老师常会用水波来演示波动的行为和各种性质,可以形象地看到波动的干涉、衍射等现象,由此来理解声音和光的性质,因为所有波的行为方式是基本一致的。每天围绕我们的是声波(机械波)和光波(电磁波),所谓引力波还无法证实。在有介质存在的地方,无论气体、液体或固体,机械扰动都会产生声波,沿介质传播;在有电荷扰动的地方就会发射电磁波,向空间辐射。二者都是把能量向远方传递,但由于机械波需要介质,对于我们人类来说,这种波无论怎样折射、反射、绕射,也只能被“困”在地球上;电磁波不需要介质,因而能传播到宇宙的各个角落,它几乎是我们与外界沟通交流的惟一途径。我们地球所以能够生机勃勃,主要靠的是来自太阳的电磁波辐射。
   水波虽然直观形象,但它是一种复杂的波,因为形成水波的力主要是重力(有时还要考虑表面张力)。而机械波(广义的声波)和电磁波却主要是简单的波,也就是所谓的简谐波,也称正弦或余弦波,跟三角函数联系了起来,任何复杂的波都可以分解为若干简单的波。我们知道,任何运动的变化都有力的作用,质点在平衡位置的往复运动,也就是振动,必然是受力作用的结果。宇宙中存在着4种基本作用力,即引力、电磁力、弱力和强力,但在宏观世界,我们能够感知到的是引力和电磁力。
   最简单的振动是谐振子,比如我们课本中常提到的一根无质量弹簧连接一个小球的振动,介质中一个质点的受力与这个小球一样,都是受到一个与距离成正比的弹性力的作用。在这样力的作用下,用牛顿力学求解,运动轨迹自然就是正弦函数,这就是为什么描述波的行为的波动方程是正弦函数的原因。弹力的本源是电磁作用力,而我们感知最多的机械振动和电磁振动是电磁相互作用产生的。
   我们与外界交换信息的感觉器官主要是耳朵和眼睛,耳朵可以感知声波,眼睛可以感知电磁波,我们时时刻刻都处在这两种波的包围之中,所以在我们认识的自然界中,声波和电磁波占据了主导地位。也许地球上正是具有声波和电磁波的环境,我们才进化出感知声波和电磁波的器官。实际上,今天我们知道,人类能真正感知到的声波和电磁波,仅仅是所有声波和电磁波中的一小部分,而大部分要靠延伸感觉器官的仪器设备来感知。感知到的是存在的,感知不到的就不能说是存在的。至今我们推论的电子波还是像谜一样,自然界还有我们感知不到的波吗?也许,要研究的还真是很多很多。
   无论如何,世界有力的存在就有波动。推而广之,在非自然界领域,也有各种“力”的存在,有力就有运动的变化,这种变化常表现为波动的形式。比如,经济的波动、股市的波动、情绪的波动等等,社会学上的波动是群体的“合力”作用的结果。社会“力”往往比较复杂,因而波动的形式也各式各样,但波动发展是大原则。在常态下,股市低迷,股民不要因为被套而过于苦恼,因为股市还要向上波动的;股市高涨时,也不要因大赚而窃喜,要小心股市还会波动向下的。波动总是趋势,把握好趋势就有胜算……

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