从本质上看，电梯其实是一个滑轮装置 。钢索绕过一个圆柱形卷筒，它的一端固定在电梯轿厢的上方，另一端连接着一个平衡砝码。选择平衡砝码的重量时，要考虑电梯轿厢的重量以及电梯的平均载重量。一般来说，电梯轿厢的平均载重量是其最大载重量的40%。平衡砝码的重量越接近电梯轿厢的重量，拉动电梯轿厢升降所需要的能量就越少。

让我们想象一下跷跷板是怎样工作的。如果坐在跷跷板两端的儿童体重相等，跷跷板的升降就会变得非常容易。如果跷跷板的一端坐着一位体重较大的成年人，而另一端坐着一个小朋友，想让成年人的这一端升起，就必须给跷跷板施加额外的力。对电梯来说，载有乘客的电梯轿厢就相当于跷跷板的一端，而钢索另一头的平衡砝码就相当于跷跷板的另一端。如果电梯轿厢的质量和平衡砝码的质量相等，那么一侧下降所产生的力（这一侧势能将下降）就恰好能够平衡另一侧上升所需要的力（这一侧势能的增加量恰好等于另一侧势能的减少量）。如果在电梯升降的过程中，电梯轿厢和平衡砝码所组成的系统的总势能保持不变，驱动电梯运行的电动机所需要做的功就会减少。如果电梯轿厢是空的或者达到其最大载重量，在电梯升降的过程中，电梯轿厢和平衡砝码所组成的系统就会产生一个净势能变化。系统总能量的变化意味着电动机必须对这个系统额外做功。

连接电梯轿厢和平衡砝码的钢索长度必须略大于大楼的高度。当电梯轿厢停在底楼时，平衡砝码处于大楼的顶部。而当电梯轿厢位于最高楼层时，平衡砝码则处于底楼。

但是，钢索不能只是松弛地垂挂在滑轮上。钢索必须紧紧地抓住滑轮，当电动机转动滑轮的时候，钢索必须随着滑轮的转动而运动，这样才能够带动电梯轿厢的升降。滑轮事实上是一个圆柱体，钢索是通过摩擦力抓住这个圆柱体的。钢索与滑轮接触的表面积越大，摩擦系数越高，所产生的摩擦力也就越大。因此，钢索不是简单地垂挂在这个卷筒上，而是要沿着这个卷筒绕上好几圈。卷筒上刻有一些沟槽（从技术上来说，刻有沟槽的卷筒叫作“槽轮”），钢索嵌入这些沟槽，是为了进一步增加摩擦力。圆柱体的中心与一个电动机的轴相连，这个电动机的轴既可以顺时针转动，也可以逆时针转动，并且可以以不同的速度转动。这样一来，与电梯轿厢相连的钢索就可以在电动机的驱动下上下运动了。

以上就是电梯运行的基本物理学原理。但是，如何才能让电梯高速安全地升降呢？电梯轿厢的升降速度主要取决于转动滑轮的电动机 。在电动机中，线圈中变化的电流产生磁场，与此同时，电动机中还有一个永磁体或者电磁铁，上述变化的磁场不断与这个永磁体或者电磁铁相斥或者相吸。磁体的磁力越强，所产生的扭矩就越大（即电动机能够产生的扭转力），电动机能够驱动槽轮达到的旋转速度就越快，电梯轿厢的升降速度也越快。

要保证电梯运行的安全性，我们还需要做一些额外的工作。电梯安全的主要原则是 ，一定要多配备一套“冗余系统” 。虽然一根粗钢索就足以承受满载的电梯轿厢的重量，但大部分电梯都会采用4~8根粗钢索。这样，即使有1根甚至两根钢索发生断裂，电梯轿厢也不至于掉落到电梯井的底部。

事实上，即使这8根钢索同时断裂，电梯轿厢也不会跌落井底。在整个电梯井的内部两侧装有一些垂直的导轨，电梯轿厢被这些轨道所包围。电梯轿厢上的导靴能够抓住导轨，以保证电梯轿厢随时处于完全竖直的状态（即使轿厢内的所有乘客都站在轿厢的一侧，电梯轿厢也不会发生倾斜）。电梯轿厢外的导靴上装有限速器，它们能够侦测到电梯轿厢是否在晃动。如果电梯轿厢确实在晃动，导靴就会对轿厢施力来消除晃动（类似于汽车的防抱死制动系统能够根据汽车的加速度自动调节制动力，这一系统的反应速度和灵敏度都大大超过司机手动控制汽车所能达到的程度）。此外，在导轨上还配置了额外的电梯制动装置。在正常情况下，这些制动装置会沿着导轨滑动。但如果限速器探测到轿厢的加速度过大，这些制动装置就会紧紧地抓住导轨。这些制动装置利用电磁铁让安全钳保持张开的状态，一旦电力丧失，安全钳就会自动闭合，紧紧地抓住导轨不放。这些制动装置的工作原理类似于一种“失能开关”，在电梯导轨上安装这种制动装置已经有很多年的历史了。然而，对于高速运行的电梯而言，要让一部快速升降的电梯轿厢突然停下来会产生很大的摩擦热。这种巨大的摩擦热会导致制动装置中的金属熔化。如今，安全钳表面会镀有一层极其坚硬的陶瓷材料，其所能承受的温度比金属高得多（出于同样的原因，某些高性能跑车的刹车片上也镀有这种陶瓷材料）。在滑轮中有一个“调速器”装置 ，如果滑轮转动的速度过快，调速器就会用钩子拉住棘轮，使滑轮完全停止转动。这种安全措施的设计十分巧妙，其原理是当滑轮转动时，滑轮上的钩子会飞到离滑轮中心较远的地方；当滑轮的转速达到某一特定值的时候，钩子就会拉住棘轮，从而使滑轮完全停止转动。

在电梯井的内部，电梯轿厢的运行速度可以达到每小时40英里。在这样高速运行的情况下，电梯轿厢需要消耗相当大的能量才能推开运行路线上的空气。因此，在电梯轿厢的顶部和底部包裹着一层经过特殊处理的轻质金属曲面，它有助于提高电梯运行的空气动力学性能，减少推开空气所需的能量损耗。此外，在设计电梯的时候，电梯轿厢内部的空气压力也是一个需要考虑的因素。在你乘坐电梯从一座摩天大楼的顶层下降到底层的过程中，你的耳鼓会感受到一种令人不适的压力，这和飞机降落过程中你的耳朵会觉得不舒服一样。电梯轿厢内的一些小风扇可以调整那里的空气压力，当你到达大楼的底层时，空气压力的变化已经完全被消除，所以在电梯门打开的那一瞬间，你并不会感受到明显的空气压力差。

此外，高速电梯还存在另一个和飞机有关的物理现象。为了减少电梯升降所需的时间，与槽轮相连的电动机必须让滑轮快速转动起来。也就是说，这个过程中的旋转加速度只有足够快，才会使电梯轿厢产生一个很大的线性加速度。当电梯轿厢开始加速时，你会产生一种短暂的沉重感或者轻盈感。这种现象很好地诠释了广义相对论中的“等效原理”：在一个封闭的房间中（比如在一个封闭的电梯轿厢内），不可能区分开加速效应和引力效应。当电梯轿厢开始上升时，会有一个很快的向上的加速度，因此轿厢地板会对你施加一个额外的向上推力（当电梯静止时，轿厢地板也会对你施加一个向上的推力来平衡你的正常体重；但当电梯向上加速时，地板对你施加的向上推力会增大），让你感觉自己的体重似乎增加了。如果电梯在上升的过程中不停靠任何楼层，而是直接向着大楼的顶层爬升，那么在大部分情况下，电梯会匀速上升，你感受到的是你自己的正常体重。但是，当电梯接近顶层时，电梯轿厢必须减速，轿厢地板施加的向上的推力就会减小，这时你会感觉自己的体重变轻了。当某些飞机沿着抛物线轨迹飞行时，在抛物线的顶端，乘客会暂时感到完全失重。事实上，当电梯接近顶层而开始减速的时候，也会发生类似的情况。

只要在平板电脑屏幕上点击相应的图标，就能轻松地访问航空公司的网站。然而，这个看似简单的过程却包含了一系列复杂的物理现象。每当你的平板电脑访问一个网站时，从本质上看就相当于它在打一通电话。当然，在这种情况下，你不需要等待听筒中的拨号音以确认电话线是否畅通，你需要做的只是观察平板电脑（或者智能手机、笔记本电脑）上是否出现同心弧的图标，因为它的出现意味着这台设备已经探测到了附近某台无线路由器发射出的某个特定频率的无线电信号（不管你是使用无线网络，还是使用你的数据流量，二者背后的物理学原理都是一样的。因此，在这里我们仅讨论无线网络的情况）。你在浏览器地址栏中输入的网址事实上是一个昵称 ，它代表一个数字形式的地址，大致相当于一个电话号码。在打电话的时候，交换机将选择最优路径将你的电话发出的信号传递到你所拨打的电话中。你想访问的网站是靠一些计算机主机和服务器支撑的，它们存储了网站的所有信息（包括格式和内容）。你在访问这些网站时，便可以获取主机和服务器上存储的信息。

当你访问一个网站时，你的智能平板电脑通过无线电波（无线网络） 与另一台电脑发生交互，那台电脑会向你发送你所请求的一系列电压脉冲，这些电压脉冲包含了你想要访问的网站信息。以前固网电话的信息传输采用的是一种模拟格式，如今大部分电话和智能平板电脑都需要处理大量的数字信息流，也就是一连串的0和1。这种变化是一件好事，因为虽然你的平板电脑或者智能手机的半导体处理器的运算速度很快，但它们并不是非常“智能”。

模拟信号和数字信号之间的区别是 ，模拟信号是连续变化的，而数字信号是离散变化的。比如，外放扬声器产生的声波就是一种模拟波，因为声波的强度和频率都可以连续变化。决定扬声器的振动膜如何振动的电压信号过去是一种模拟信号，而现在往往是数字信号。数字电压通过把许多很低的电压加总在一起而产生，每一个离散的电压值之间的差距越小，最后的数字电压信号就会越接近于平滑变化的真实信号。这种数字信号也可以被转化为一个模拟信号，然后被传输至扬声器。

虽然电子信号只是近似等于真实电压的模拟信号，但在像智能平板电脑这样的设备中，电子信号较之模拟信号具有一些明显的优势。在数字电话出现之前，长途电话通信一直是一个难题，而且信号的接收也很差。这是因为，在金属线路中传输的电压模拟信号很容易受到噪声的影响（比如，以下几种情况可能会产生噪声：线路中电子的随机运动会产生感应电压，这种电压会对我们要传输的电压信号产生干扰）。要想以更加可靠的方式传输信息，一个方法就是使用电子码 ，比如摩尔斯电报系统中所使用的表示数字和字母的点和划。在这种方式下，即使某些电子信号流失了，一般来说接收者也仍然能够理解信息的内容。此外，电子信号还有另一个优势：如果你不希望其他人截获和知道你传输的信息，你可以比较容易地对信息进行加密处理。对一连串的0和1进行加密处理，比对一整段模拟信号进行加密处理要容易得多。对于电子商务而言，这是一个相当重要的优势。

智能平板电脑的屏幕是由一系列密集排列的点构成的 ，这些点叫作“像素点”。平板电脑接收的数字信号会指示每一个像素点是否应该发光，以及它们应该激活哪种色彩过滤器。平板电脑屏幕上的每个像素点大约只比人体中的一个细胞大10倍。因此，我们在平板电脑屏幕上看到的图像并不会有颗粒感，所有这些像素点的明暗搭配最终组成了一幅高清图像。大部分智能平板电脑的长边约有1 500个像素点，短边约有800~1 000个像素点。也就是说，一台智能平板电脑的屏幕共有超过1 000 000个像素点，这就是我们所说的“兆像素”或者“百万像素”。

智能平板电脑会随时监控每一个像素点的状态。当你点击平板电脑屏幕上的某一个点，比如“航班状态”这个图标时，你就向平板电脑的处理器发送了一个信号。这个信号会触发平板电脑与网站主机电脑的交流，后者会把网站的数字信息流发送到你的平板电脑上。当网站的主机电脑接收到你的平板电脑发送的信号时，它就会做出相应的反应——向你的平板电脑发送一套新的指令。于是，你的平板电脑屏幕便会根据这套新的指令，显示出要求你输入航班号码的页面。在你输入航班号码的信息后，主机电脑又向你的平板电脑发送了另一组数据流，你的平板电脑屏幕就会告诉你该航班预计能准点起飞。

老式的玻璃温度计包含一个很细的空心圆管 。圆管的两头密封，内部填充了一种液体（要么是水银，要么是红色的酒精）。在测量体温的时候，温度计的一头会与你的身体接触（比如你舌头下的某个部位）。如果人体的温度高于室温，圆管内的液体就会膨胀，温度计的读数就会上升。

那么，我们如何知道玻璃温度计圆管内液体的高度究竟对应怎样的温度呢？你可以先把玻璃温度计的一头放入冰水（冰水的温度是0摄氏度或者32华氏度），然后记下此时温度计内液体的高度。你再把温度计的一头放入沸腾的热水（沸水的温度是100摄氏度或者212华氏度）中，你会发现温度计内的液体高度上升了。随着温度上升，温度计内的液体高度会均匀、平缓地上升。最适合作为温度计内测温液体的是水银，因为水银的冰点是–39摄氏度或–38华氏度，只在温度高于356.7摄氏度或674华氏度时才会沸腾变为气体。酒精的沸点是78摄氏度或173华氏度，如果我们想测量一个人的体温，酒精同样可以完成这个任务。

然而，不管温度计中的液体是水银还是酒精，问题在于，为什么这些液体的高度会随着温度的变化而变化呢？虽然我们知道随着温度上升，物体会膨胀，但是，难道由玻璃制成的圆管不会同时膨胀吗？如果玻璃制成的圆管和圆管内的液体遇热后同时膨胀，这两种变化的效果难道不是玻璃管内液体的高度不变吗？我们知道，不管是在固体、液体还是气体中，温度代表的是整个系统中每个原子的平均动能。对于大部分材料而言，原子之间的作用力有一个很小的附加项（叫作“非谐项”），这个附加项的存在使得朝一个方向的拉力略大于朝另一个方向的拉力。由于这个非谐项的存在，当温度上升时，原子会发生一个净位移。这个位移虽然很小，却是真实存在的。某种材料受热时体积增加的幅度取决于原子排列的细节，以及把材料中的原子聚拢在一起的作用力。玻璃的非谐项比水银或者酒精的非谐项小得多，因此当你加热温度计及其内部的液体时，液体的膨胀速度远高于玻璃容器的膨胀速度 。玻璃的导热性能不佳（玻璃是一种很好的绝热材料），因此在测量体温的时候，必须把装有液体的玻璃管放在舌头下保持一段时间，才能保证玻璃管中的水银或酒精的温度与人体的温度一致。

事实上，任何系统都可以被当作温度计 ，前提是这个系统中有某种容易测量的物理性质会随着温度的变化而发生均匀的变化。此处所说的物理性质不仅包括固体的结构性质，还包括电学性质。在高温条件下，金属并不是电的良导体，因为在高温条件下，金属中的原子振动会加剧。原子的剧烈振动会妨碍电流的通过，就像烤面包机中电热丝的缺陷会增加它的电阻一样。半导体也不是电的良导体，因为半导体中的所有电子都被锁定在原子间的化学键中。当温度升高的时候，半导体中的某些电子能暂时摆脱化学键的束缚，这种现象能够显著降低半导体的电阻。所以，只要校准这些材料的导电性随温度变化的情况，我们就可以通过测量金属或者半导体的电阻来测量温度。

以电学方式测量温度的另一种常见方法是，使用一种叫作“热电偶”的装置。当把两种不同的金属连接在一起时 ，其连接处对温度敏感，而且会产生一个电压。两种不同的金属，其单位体积内的自由电子数量不同，因此，一种金属会比另一种金属拥有更多的自由电子。当这两种金属被连接在一起时，一种金属中的部分电子就会移动到另一种金属中，就像气体原子会从高压区域向低压区域移动一样。在把两种金属连接在一起之前，每一种金属中带负电荷的电子数目和带正电荷的离子数目都是相等的。然而，把两种金属连接在一起之后，这两种金属的连接处就会产生一个净电势差，从而形成一个电压，这个电压虽然很小，却可以被测量到。当金属连接处的温度发生变化时，部分电子就会从连接处的一侧向另一侧移动。所以，连接处的电压会随着温度的变化而变化。同时，金属的导热性能很好，所以，这种以热电偶为基础的温度计不仅能够提供精确的温度读数，还能非常快速地测定温度。电子温度计中有一个感应芯片，它能够侦测到热电偶连接处的电压，或者是金属或半导体因温度变化而产生的电阻变化。感应芯片与液晶显示屏相连，因此能够向显示屏发送信号，显示出测量到的温度。

X射线是一种电磁波辐射，跟无线电波、微波、可见光和紫外线一样。产生X射线的最常见方法用到了我们前文中多次提到的物理学原理——变化的电流能够产生变化的磁场。在一个X射线管中 ，导线的一端发射出电子，另一端则是一个带正电荷的屏幕网。这个带正电荷的屏幕网能够吸引导线发射出的电子，并让电子加速，使电子具有很高的动能。整套系统处于一个玻璃罐中，这个玻璃罐中的空气被抽走（这样做是为了将空气分子对电子的干扰最小化），这也是真空管的前身。大部分电子并不会打到带正电荷的屏幕网的导线上，而是会穿过屏幕的空隙，击中另一块板。这块板带有负电荷，它能使电子迅速减速。电子运动状态的变化会产生电磁波（就像烤面包机的电热丝会发出红光一样）。正常情况下，电子迅速减速时会产生一种射线，其波长很短，相当于单个原子的大小，这种射线就是“X射线” 。

当用X射线照射一种固体（比如你的脚踝）时 ，射线便会与这种固体材料原子内的电子发生相互作用。固体材料中的电子就像一些方向随机的小镜子，能反射X射线。因此，只有一部分X射线会继续沿直线打到探测板上，而大部分X射线都会被反射到其他方向上去。一个原子中的电子越多，反射X射线的效果就越强。碳原子只有6个电子，因此碳原子能被大量X射线穿透。铅原子有82个电子，因此铅原子对X射线的反射性较强。正因为如此，X射线无法穿透铅板。金原子含有79个电子，对于X射线而言，金就和铅一样，都是不透明的。（出于显而易见的原因，在医生的诊所中，用来屏蔽X射线的防护衣并不是用金子做成的。 ）

一个水分子只包含10个电子（其中8个来自一个氧原子，另外两个来自两个氢原子）。因此，水分子无法有效地反射X射线。我们的身体主要是由水构成的，所以人体也不能有效地反射X射线，X射线可以轻松地穿透我们的身体。一个钙原子包含20个电子，因此钙原子反射X射线的能力要比水分子强得多。在X射线扫描仪产生的图像中，我们的骨骼显示为白影，这是因为骨骼中的原子能够反射X射线，只有较少的X射线到达了探测板。而没有原子的部分（比如牙齿中的虫洞或者骨头断裂的部分）则不会反射X射线，这部分的X射线通量很高，在探测板上就表现为黑影。我们的软组织的原子密度很高，所以软组织中能够反射X射线的电子也比周围的其他组织更多，因此X射线扫描能够检测出软组织的情况（见图3）。为了提高各部分组织之间的成像对比度，某些X射线检查会先给病人注射一种液体，这类液体中含有碘（碘有53个电子）或者钡（钡本身就有56个电子，扫描消化系统时采用的增强剂硫酸钡共有104个电子）的化合物。在人体的组织中添加这些电子后，这些组织反射X射线的能力就会提高，这样一来，医生就可以通过X射线扫描获得更精确的图像，而不需要将X射线的强度增加到危及病人身体健康的水平。

虽然对于医生和其他诊断者而言，能够看到人体表面以下的结构已经是一个巨大的进步了，但是单张二维快照所能提供的信息量是有限的。如果能够对人体做更全面的三维图像扫描，就可以更好地辅助诊断和治疗。在你的身体内部，某个能够反射X射线的组织可能在二维图像上看起来很大，但在三维图像上的体积却很小。比如，这块组织可能是一张饼的形状。如果这张“饼”所处的方向使得X射线扫描恰好显示出它的边缘，医生就会看到一条窄而长的楔形物。这么小的东西似乎根本不值得注意，然而，全面的三维图像能够更精确地显示出扫描物质的真正体积和范围。当然，我们不能仅仅依赖互成直角的两个方向的图像（就像警察局拍摄的罪犯入狱快照一样），因为反射物体不一定只存在于一个面上。要想用X射线构建一个全面的三维图像，我们必须拍摄多幅图像，并让每一次扫描的位置有所不同。将一系列X射线图像组合起来，就能得到三维图像，这个过程叫作“断层扫描”。计算机可以帮助我们用这些图像构建出一个完整的三维图像。这种X射线成像技术被称为“CAT扫描”（全称为“电子计算机断层扫描” ）或者“CT扫描”。

断层扫描（tomography，希腊语意为“分段地写”）是指用一个能穿透物体表面的探测器（比如X射线或者声波）获取一系列连续图像的过程。如果这些截面能够系统地覆盖整个物体，我们就可以通过它们构造出一个完整的三维图像。不妨假设我们现在要对桌面上的一个橘子进行三维成像处理，我们打算利用一系列与桌子表面平行的截面来完成这项任务。第一个截面位于橘子的最顶端，其获得的图像是一个点。随着截面不断接近桌面，我们得到的图像是一系列越来越大的圆。而当截面超过了橘子的中心点以后，所得到的圆又会变得越来越小。在橘子的底部我们将再次获得一个点的图像，这是最后一个截面。在我们对这些截面进行比较，并把它们结合在一起后，我们得到了很多个直径不同的圆。根据这些信息，我们可以判断，这个橘子的形状是球体。如果我们对一罐汤罐头重复上述图像扫描工作，我们也会得到一系列连续的图像，但这些图像都是大小相等的圆。这些信息说明，汤是被装在一个圆柱形的罐头盒中的。以上两个例子比较简单，我们可以轻松地分析出物体的形状。但如果我们对人体进行断层扫描，由于人体结构比较复杂，就需要用一台计算机来把这些截面图像重构成一个完整的三维图像。截面的数量越多，最后得到的影像结果也越准确。但是，和单次二维扫描相比，多次断层扫描会使病人更长时间地暴露在X射线中。

声音是一种波，但你也许想不到，声音也可以被当作一种视觉工具。在医学领域，医生可以利用声波来透视病人体内的情况。虽然电磁波可以在真空中传播，但声波却无法在缺乏介质的情况下传播。声波传播的介质可以是气体，也可以是液体或者固体。在超声波成像（又称超声波扫描）中 ，声波传播的介质就是你的身体。超声波成像的理论基础是：在不同密度的介质中，声波会以不同的速度传播。

声波表现为介质密度的周期性变化。如果你拨动一根吉他弦，它就会以某一个特定的频率振动，该频率取决于这根弦的性质，如张力、质量以及长度。让我们想象一下这根吉他弦振动的情况。当弦振动的时候，弦的中心点以某个特定的频率上下运动。当弦向上运动时，它与空气分子碰撞，并向上推动空气分子。被弦推动的空气分子聚集在一起，其后方就成了一个空气分子密度较低的区域。当弦向下运动时，它又向下推动空气分子。因此，振动的弦实际上使这根弦上下的空气密度发生了周期性变化，这种变化会从弦的位置向外传播。

除了在空气中传播以外，声波还能以相同的物理模式在液体中传播，比如水。声波的传播速度取决于介质的性质，在其他因素相同的情况下，介质的密度越大（也就是说介质中的原子彼此靠得越近），原子之间的联系就越弱，声波在该介质中的传播速度也越慢。如果声波在两种介质中的传播速度不同，当声波到达这两种介质的分界线时，部分声波就会在分界线处被反射。通过改变声波来源的位置，并测量反射情况的变化，超声波设备可以检测出人体内部密度的变化情况。

一般来说，医疗成像设备的超声波发生器的频率是每秒2 000 000到3 000 000个周期。这样的频率远远超出听力很好的人（甚至是狗）的听力范围。这种高频声波的波长较短，对于成像来说，波长短是一个有利的条件。声波的波长越短，能反射声波的对象体积就可以越小（就像汽车的自动停车系统所用的激光雷达一样）。如果两个相邻的波峰之间的距离是3英尺，那么当这样的波打到一个长度为1/8英尺的物体上时，它就不会发生显著的变化 。为了检测到人体内部较小的组织，超声波成像设备所使用的声波波长与可见光的波长接近。但和可见光不同的是，这些声波能够穿透人体表面，并被人体内的器官反射。

在一个超声波成像系统中，先由一种压电材料产生声波。通过一个在正极和负极之间均匀振荡的交流电压，我们可以让压电材料发生周期性的压缩和膨胀，从而产生声波。压电材料可以通过振动产生声波，这和振动的吉他弦产生声波的原理是一样的。压电材料能以极高的频率振动，因此能够在任何与晶体发生接触的介质（比如你身体中的液体）中产生压力波。在做超声波扫描前，护士会在你的皮肤上涂上凝胶，目的是让压电发生器产生的声波能够更好地传播到你的身体中（这种做法被称为“阻抗匹配”）。超声波进入你的体内后，若你体内的组织器官密度发生变化，超声波的传播速度就会发生变化，因此在两种不同密度的介质的分界线上被反射，并被压电材料检测到。振动的压力波会使压电材料收缩或者膨胀，这一变化会产生电压信号，电压信号可被转化为图像。人体内部不同密度介质的分界线是比较模糊的，这会降低超声波扫描图像的对比度。我们可以改变超声波源的位置，让超声波从一系列不同的角度发生反射，这就是一个简单的断层扫描的过程。要获得断层扫描图像，其中涉及的工程和数据处理细节非常复杂，但是这类设备的核心物理学原理都是一样的。当你在夜晚透过一扇窗户向外看时，你会看到玻璃的反射，上述设备事实上也运用了这种简单的物理学原理。

“核磁共振成像”又称“磁共振成像”，这项技术的原理是：原子的各个组成部分——电子、质子和中子——都有一个小磁场 ，它们就像有S极和N极的小磁体一样 。不同元素的原子核中有不同数量的质子和中子，也就有不同的磁场。如何测量你身体中每个原子的磁场强度呢？我们先让所有的小磁体都朝同一个方向，再让它们全部旋转180度，并计算这个旋转的过程消耗了多少能量。当你躺在一个巨大的电磁铁内部时，有一个巨大的磁场穿过你的身体。假设这个磁场的N极指向天花板的方向，此时，你身体中所有原子核中的“小磁体”都想与这个外部磁场保持一致的方向，就像你把一块磁体靠近指南针时，指南针会被这块磁体的磁极吸引一样 。

更准确地说，当原子核内的小磁场和外部磁场的方向保持一致时，它们的能量最低；而当核内的小磁场和外部磁场的方向相反时，它们的能量最高。正是出于这样的原因，你不能把任何金属或者信用卡带入做核磁共振成像检查的房间，因为核磁共振成像仪器中的巨大电磁铁会对这些物体施加一个很大的力。同样，核磁共振成像过程中产生的变化的磁场会使你体内的所有金属发热，如果你的皮肤上有文身，并且文身图案用了金属墨水，你的皮肤也会因为磁场的作用而发热。

现在，我们还需要了解另一个事实，那就是：你身体内部的原子核中的磁场是非常弱的，即使你将它们放在一个巨大的外部磁场中，要让它们旋转到和外部磁场相反的方向上也耗费不了多少能量。这个消息对我们是有利的，因为这意味着旋转它们所需要的射线恰好位于电磁波谱能量较低的一端。只要利用能够轻易穿透你的皮肤进入你体内的无线电波，就能够完成上述旋转任务。

从量子力学的角度看，一束光中含有许多离散的能量包，这些能量包被称为“光子”。任何形式的光携带的能量都取决于它的频率（这一现象于1905年被爱因斯坦首次发现 。那一年，爱因斯坦发表了狭义相对论）。量子力学提出的重要理论之一是：只在光子的能量正好等于原子核或原子两个能级之间的差值时，原子核或原子才能吸收光子。如果光子的能量过高或者过低，原子核或原子就不能吸收光子。不同元素的原子核有不同的磁场强度，因此，对于不同的元素而言，要想在一个外部磁场中旋转核磁体，所用到的无线电波的光子能量就必须有所不同。通过观察何种频率（也就是何种能量）的电磁波被吸收了，我们就可以知道吸收电磁波的原子究竟属于何种元素。

我们可以非常精确地调整电磁波的频率。任何听过广播的人都知道，如果你想要收听的节目在100兆赫频段上播放，而你却调到了100.3兆赫的频段，节目就会听不清楚。核磁共振成像的最主要信号来自充斥着我们身体的每一个细胞的水分子 。两个质子（或者两个中子）配对，其中一个粒子的N极对着另一个粒子的S极，它们组合起来的净磁场为零。水中的氧原子含有偶数个质子和中子，因此，氧原子的原子核是没有磁性的。而水中的氢原子是孤立的质子，氢原子内部的核磁场会与核磁共振成像设备的磁场相互作用。因此，这些氢原子就是核磁共振成像设备探测到的信号的主要来源 。

为了在核磁共振成像中取得较大的对比度，我们故意让核磁共振成像设备的磁场具有这样的性质：在你身体一侧（比如左侧）的磁场非常弱，然后磁场沿着你的躯干逐渐增强，在你身体右侧达到最强。因此，在你身体左侧，只需要很少的能量就能够旋转你体内的核磁体，而在你身体右侧，则需要较大的能量才能旋转你体内的核磁体。通过向你的身体发射不同频率（也就是不同能量）的无线电波，并观察各个频率的无线电波被吸收的情况，就可以知道你的体内有哪些种类的原子，以及每种原子的数量。将这些信息汇总到一起（当然这个过程需要计算机的有力辅助），就可以绘制出你体内各组织的图像。

在上文中我们提到了两种状态：第一种状态是你体内的核磁体与外部磁场的方向一致，第二种状态是你体内的核磁体与外部磁场的方向相反。事实上，这两种状态之间的能量差是非常微小的。核磁共振成像技术并不试图区分这个微小的信号，而是利用这种信号来提高图像的对比度。首先，设备向人体发射出一个无线电波能量级的光子脉冲，直到人体内部和外部磁场方向一致的核磁体数目等于和外部磁场方向相反的核磁体数目为止。此时，设备将关闭无线电波能量级的光子脉冲，与外部磁场方向相反的核磁体就会重新调整它们的位置，以达到更低的能量状态（即调整方向直到与外部磁场的方向一致）。在这个过程中，会释放出无线电波光子。

核磁体要想回到初始位置（与外部磁场方向一致的核磁体数目稍多于与外部磁场方向相反的核磁体数目），需要花费一定的时间。核磁体附近的其他原子在这段时间内会变得非常敏感，通过测量核磁体回到初始位置所消耗的时间，我们就能够知道附近有哪些种类的原子。根据这些信息，我们可以构建出一幅人体内有机物质的高对比度的图像。

通过核磁共振成像检查，我们可以获知人体内组织的生物状态的详细信息。比如，我们可以知道某个组织究竟是良性的还是恶性的。一项近期的研究 利用了以下事实：由于恶性肿瘤的生长速度比良性组织快得多，因此恶性肿瘤的新陈代谢速度比良性组织更快。医生可以给病人注射某种形式的葡萄糖溶液，其中含有大量具有磁活性的原子核。由于病人的恶性肿瘤会比周围的良性组织更快地吸收这种葡萄糖，因此在核磁共振成像的结果中，医生就会看到这些恶性肿瘤比其他组织的亮度更高。核物理技术不仅能帮我们得到人体内部的图像，还能帮我们得出许多能够挽救病人生命的重要诊断结果。 qeE1jGkL/xLiniJB7nsIs5OOFaaBg0I8mXUGnAelx7gkQ1MqClU4I85pr9yNGdlF