日常生活中的波：光波与声波

我们在日常生活中会与两种波打交道，那就是光波与声波。虽然它们都是波动现象的例子，但它们的表现非常不同。它们之所以不同的原因有助于解释我们不会看到一只狗同时从树的两边经过。

声波是空气中的压力波。

当一只狗叫的时候，它迫使空气通过它的嘴产生一个向四面八方传播的振动波。这个声波到达另一只狗时，会引起这只狗的鼓膜振动。这个振动会转换成狗的大脑中的信号并被作为声音处理，从而引起第二只狗叫，产生更多的声波。这样声波一直传播，直到附近的人都被打扰了。

光波是另一种波，一种振荡的电场和磁场——它能穿过空间，甚至穿过外太空。这就是为什么我们可以看到遥远的恒星和星系。光波到达你的眼睛后部时，会在你的大脑中转换成信号，经过处理形成你周围世界的图像。

光波和声波在日常生活中最显著的区别在于它们遇到障碍时会发生什么。光波沿直线传播，而声波似乎可以绕过障碍物。这就是为什么一只在餐厅里的狗虽然看不到厨房里有薯片掉到地板上，但它可以听到。

声波在拐角处可以明显弯曲是一个衍射的例子，这是声波遇到障碍物时的特征性表现。当声波到达一个障碍物并且这个障碍物有开口，比如厨房和餐厅之间的墙上开的一扇门，声波穿过这个开口后不会继续朝前直行，而会在一定范围内朝不同的方向散开。如下图所示，声波散开的速度取决于波长的长短和它通过的开口的大小。如果开口比波长大得多，声波就几乎不会拐弯；但如果开口的大小与波长相当，声波将向所有可能的方向散开。

同样，当声波遇到一个障碍物，比如说一把椅子或者一棵树，如果这个障碍物不比波长大很多，声波就会在它周围衍射。这就是为什么一堵很大的墙才能挡住狗叫声——声波会拐弯绕过较小的障碍物，到达障碍物后面的人或狗。

声波在空气中的波长约为1米，这个长度非常接近一些典型障碍物（如门、窗和家具）的尺寸。于是声波产生了大量衍射，这就是为什么即使在房间的角落我们也能听到声音。

另一方面，光波的波长很短——短于千分之一毫米。光波波长的100倍与一根头发丝的直径相当。光波遇到日常的障碍物时，几乎完全不会拐弯，所以固体有阴影。光波在固体的边缘会发生一点点衍射，这就是为什么阴影的边缘总是模糊的。但在大多数情况下，光波是沿直线传播的，不会发生明显的衍射。

如果我们不容易看到光像波一样衍射，那我们又如何知道光是波呢？我们看不到光围绕日常物体衍射的现象，是因为与光的波长相比，日常的物体太大了。但如果有一个足够小的障碍物，我们就可以得到关于光的波动行为的确凿证据。

1799年，一位名叫托马斯·杨的英国物理学家做了一个证明光具有波的属性的、具有决定性的实验。 杨准备了一束光，并在光的行进路线上插了一张上面有两道狭缝的卡片。他在观察离卡片很远的光斑时，不仅看到了两道狭缝的图像，而且看到了明亮光带和暗淡光带交替出现。

杨的双缝实验是光波的衍射和干涉的清晰展示。如下面图片所示，通过任意一道狭缝的光波会在一定范围内的各个方向上衍射，并且通过两道狭缝的光波会重叠。在给定的任意一点，来自两道狭缝的波经过了不同的距离，并经历了不同次数的振动。同相并叠加的波会产生比从任意一道狭缝发出的光都要明亮的光带；反相的波则相互抵消，产生暗淡的光带。

在杨的实验之前，关于光的本质有一场激烈的辩论。一些物理学家认为光是一种波，而其他人（包括牛顿）则认为光是一束微小粒子的流。因为干涉和衍射是只有波才会发生的现象，所以在杨的实验（以及随后由法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳所做的实验）之后，每个人都被光是波的理论说服了。这种情况持续了大约100年。

“这和同时从树的两边通过有什么关系？我对穿过缝隙不感兴趣，我只想抓兔子。”

“同样的情况也会发生在你把较小的固体障碍物放到一束光的传播路径上时。你可以这样想：光从小障碍物的左边与右边绕过就和光从两道狭缝通过一样。它们走不同的路到达它们的目的地，因此当它们到达时，要么同相，要么反相。你会得到一个亮斑和暗斑构成的图像，就像光从缝隙通过一样。”

“哦。我觉得有道理。因此，我只需要让兔子站在我和我自己同相的地方？”

“不行，因为波长的原因。我们待会再讲这个。现在，我要先谈谈粒子。”

“好吧。我可以有耐心，只要它花不了太长时间。” hBFVKVW0LKrOwHwPtKXqZOcJWYZg0/xkJxOuzKBnA2BTZG0X4EDuTrK8SrIyhHs4