机械波与电磁波

机械波与电磁波《波的科普》系列文章之（一）促使我写这组文章的原因有三个：一、女法医王雪梅在马跃案中有一段笑话，“手机……突然接收了一个来自巨大网络空间的异常信号，导致他的身体周围突发电磁巨变……这个电磁巨变恰巧超越了……安全设施的最大防护能力”；二、防辐射服显然是商业骗局，不过打假者方舟子依然在深圳败诉；三、在我收到的大量民科邮件中，有一些民科用他们所认为的“波”的概念“解释”现有的物理体系。有些错误的说法想驳斥非常难以直接展开，特别是对方用不是科学界通用的语言时，（比如“椅子听见喇叭广播，导致吃椅子的人肝脏燃烧，这个燃烧恰好超越了房间的温控能力”）。因此，《波的科普》这系列文章尝试科普跟波相关的一些知识，让读者了解波的物理之后，在与之有关的事情上能有自己的判断。波，通常指有规律传播着的扰动。机械扰动的传播形成机械波，电磁扰动的传播形成电磁波。本文将简单介绍机械波和电磁波的产生方式和传播规律。我们先从机械波讲起。形成机械波，需要两个条件：扰动和提供传播的介质。我们最熟悉的波是声波，我们的身体是扰动的来源，空气是提供传播的介质，因为声音无法在真空中传播。最简单的扰动是周期性扰动，例如一个音叉，在空气中来回振动时近似一个周期性扰动，产生的波也是周期性的。我们可以通过周期性波来定义几个概念：波长、周期、频率和波速。A点→B点（纵波图片来源：）以上图为例，黑色的点代表空气分子，黑色点的疏密代表空气分子的不同密度，我们有一个持续稳定的音源。声音在空气中的传播引起了空气分子的密度周期性变化。在某一特定时间，密度是有规律随空间分布的，从密度最大点（A）到右边相邻密度最大点（B）的距离称为波长。在A点，分子的密度也是随时间有规律地变化，从此时密度最大的时刻到下一密度最大的时刻称为周期，周期是由扰动的源（图中为喇叭）决定的。波的频率就是周期的倒数。声音的传播是有速度的，即波长除以周期。波长相当于密度最大点离开A点时，经历一个周期后传播的距离。可以想象一下，一个周期后，A点密度又回到最大，那么此时原处于A的密度最大点正好传播到了B点。————————————————————→X轴纵波与横波（图片来源：）空气中的声速大约是340米/秒，这跟介质（这里是空气）内部单元的相互作用力有关，通常，相互作用力越大、密度越低，波速越大。对于声波，温度越高、气体摩尔质量越小（比如将空气中的氮气换成同等比例的氦气），速度越快。液体和固体中内部单元相互作用力大于气体，所以液体和固体中的声速大于气体中的声速。此外，固体中因为内部单元间有切向的力量（想象一长馒头沿x轴放置，我们既可以沿x轴挤压拉伸，也可以在y轴和z轴方向扯一扯，馒头都不会断裂），所以固体中可以有新的传播方式。“挤压拉伸”的波称为纵波，空气中声音的传播就是纵波，所谓“纵”，就是内部单元振动的方向沿着波的传播方向；如果内部单元振动的方向垂直于波的传播方向，就是横波，如上图右边弹簧的示例。相隔很远的两个人说话时，不考虑回声的情况，甲的一个声音只会在一个时间点到达乙的耳朵。但是，固体中的振动传播有不同的振动模式，对应不同的相互作用力，因而对应不同的波速，振动可以在两个不同时间点传播到异地。例如，地震发生在地表几十公里甚至几百公里以下，而人类生活在地表以上，当地震的振动产生后，影响地表两次，一次通过纵波传递，一次通过横波传递，横波的波速大约是纵波的60%。横波对人类建筑物的影响较大，如果人们探测到纵波，并且及时反应的话，也许能在横波传递到地面前争取到一些逃生时间。花岗岩中的纵波的速度大约是5000米/秒，假如地震发生在50公里深处，横波纵波的间隔是四秒钟的时间，考虑到建筑物不是第一时间就会倒塌，人往往能争取到十几秒以上的逃生时间。日本的地震预警系统就是为普通人群争取这几秒或者几十秒的时间差。现在很多笔记本电脑有加速计，可以用来探测意外的冲击，UC，Riverside的一位科学家就考虑过使用大量有加速计笔记本联网作为测量网络，探测和第一时间通知地震的发生。电磁波是电磁振荡的传播，它不需要介质。一个简单产生电磁振荡的方法就是做交变运动的电荷系统，比如两个连接在一起的导体球，一个带正电荷，一个带负电荷，导体球上的电荷交替变化。与之前提到的机械波不同，电磁波的振荡是电场和磁场的振荡，而不是介质内部单元的机械振荡，正好电场与磁场都可以存在于真空中，所以电磁波可以在真空中传播。当然，电磁波也可以在介质中传播。在传播过程中，电场与磁场的方向均垂直于传播方向（见下图），因此，电磁波是一种横波。真空中，电磁波的波速可以理论推导而出，数值等于光速（299792458m/s）；历史上也因为如此，麦克斯韦预言光的实质就是电磁波。因为光速远大于地震机械波的速度，人们得到地震纵波的信息后，通过电磁波传播出去，才能在地震横波抵达前将信息送到世界各地。波的传播方向向右。E代表电场，H代表磁场。（图片来源：）电磁波与机械波一样，也有波长和频率，因为电磁波不同于机械波，在真空中的波速是固定值，因此，电磁波的频率和波长是对应的。人们根据电磁波的不同波长或者不同频率，将电磁波称为无线电波、光、X射线等。可见光，就是我们最容易感知到的电磁波，我们所感知到不同颜色的光，就是不同波长的电磁波。无线电波中，可以通过频率的变化传递信号，也可以通过振幅的变化传递信号，这就是无线电波中FM（Frequencymodulation）和AM（Amplitudemodulation）的来由。图中，波依照波长，被称为Gamma射线、X射线、紫外、可见光、红外、无线电波（图片来源：）由上可见，机械波也好、电磁波也好，并不是什么神秘的东西，它们在现实生活中有着小学生都明白的例子。一味地恐惧电磁波，特别是因为未知而恐惧，是没有必要的。现在应该很少有害怕电台广播在身边无处不在的人了，至于可见光，人们要是害怕生活中也躲不了。不同的电磁波与物质的相互作用方式不同，那么，我们如何知道波的影响呢？本系列第二篇文章将从纯物理的角度介绍波如何与物质相互作用。波与物质的相互作用《波的科普》系列文章之（二）机械波与物体相互作用的一个例子是共振。当一个物体受振动源的影响时，相当于这个物体在外界强迫下振动，也称为受迫振动。这个物体一边从振动源处接收能量，一边将能量传递出去，最终的振动接受者将能量传递出去的方式可以是物体内部的粘滞阻力。物体本身有各种各样的特征振动频率，如果振动源的扰动与其中一个频率一致的话，物体将能接受到振动源最大的能量，这时候物体的振动幅度最大，最容易出现断裂。军队过桥时采用便步，就是担心齐步走的频率和与桥的共振频率接近时，桥体出现断裂。建筑物等大型结构通常特征频率在1赫兹量级（每秒振动一个周期），当地震波的频率跟建筑物的频率一致时，造成的破坏最大。建筑物越高，特征频率越低，两层楼的建筑和二十层楼的建筑特征频率可以相差10倍（手机上一个叫SimplePhysics的游戏就有大风吹时楼稳定性的模拟，从那里可以体会一下这方面的信息）。1985年墨西哥城的地震就有选择性地破坏了二十层左右的高楼。地表层对2赫兹以上的波动有较强地衰减作用，所以同样强度的地震，不同的振动频率对人类社会的影响也是不一样的。85年的墨西哥城正好遇上了一次特征频率在2赫兹附近的强地震。之前地震波的横波和纵波的区分方式指的是体波，意思是波在固体（地球）中传播，此外，地震波还有体波和表面波的区分，这里的表面指的就是地表。表面波因为频率较低，通常小于1Hz，对人类社会影响更大。人类通常发声在85到255赫兹，所以再多的人一起冲一个建筑物大喊“XXX万岁万岁万万岁”都是安全的。插句题外话，地球并不完全是固体，历史上人们确认地心有液体的方式就是通过观察横波的消失，因为横波只出现在固体中。人类身体的一些共振频率在10赫兹量级，如果人体持续接收到这个频率范围的振动，接受者是有危险的，此范围的胸腹处的器官振动将引起人的高度不适，同时，脑部一些特征波动也在10赫兹量级。次声波武器对人体伤害的基本原理就在这里。脱离强度谈影响是没有意义的，即使是频率对了的次声波武器，对人体的伤害也跟次声波强度有关。声波的强度，假如是人能探测到的范围，就是声音有多响。共振要求机械波与物质有接近的频率，电磁波跟机械波一样，与物质的相互作用也有一些特定条件，有时候用波长表示，有时候用频率表示，有时候用能量表示。波长和频率对于电磁波是一回事，如果我们还记得真空中电磁波的波速是个常数的话。能量和频率也是一回事，这是量子力学的一些常识。波与物质相互作用的强弱与波长有关的一个例子是无线电波。如果您的年级比较大，可能会用过放卡带的机子，一些好的产品上还可以接收FM和AM的无线信号。当收听电台时，广播里面可能说，“这是XXX，FMXXX赫兹”。合肥音乐台是FM96.1*106赫兹，对应的波长是大约3米，当天线与波长成一定对应关系时，比如二分之一，四分之一，我们能接收到最清晰的信号。AM型的电波波长在300米的量级，它用不同于FM的方式接收信号。（图片来源：google搜索）假如无线电波这样的电磁波会轻易与其他物质产生相互作用，那么广播这种传播方式将很难实现了。波的传递本质上是能量的传递，当我们的广播接收器收到信号，就意味着空间中的电磁波缺失了一部分能量，如果空气中的电磁波能随便将能量传递出去，那么广播站为了将信号传递到足够远的距离，将需要更大的功率，那么，无线广播的成本也就增加了许多。手机、Wi-Fi的频率在2*109赫兹附近，对应的波长约15厘米。就跟我们拿一根3米长的香肠不会接收到FM型的无线电波一样，人体几何尺寸与手机信号波长相近并不是手机信号会影响人体的充分条件。对人体产生危害的次声波的波长远远大于米的量级。X射线是电磁波的一种，而大家都明白X射线大量照射对人体是有害的，那么，从X射线到手机和Wi-Fi，区别是什么呢，区别就是X射线是一种电离辐射。所谓的电离辐射，指的是电磁波有足够的能量将原子或者分子中的电子释放出来。电子离开后的正离子能损害DNA。DNA被损坏后，大部分情况下细胞能自我修复，但是修复过程中可能发生错误，大量的损害将直接杀死细胞。修复过程中的错误就可能引起癌症。顺便说一句，女性一生得有危险的癌症的概率是～40%而男性是～45%，所以癌症并没有那么可怕，想当然地觉得男性比女性优越有时候也是可笑的。这里的能量并不是波的总能量，而是由电磁波波长所决定的能量；波长越短，能量越大。当电磁波的波长足够短时，电磁波的粒子性就渐渐体现出来，无线电波更多体现了波动性质，光被称为波粒二象性，而X射线性质更接近于粒子。单个粒子的能量，由其频率决定。举个例子，许多雨点积累起来的总能量可以跟一粒子弹一样大，但是在雨中几个小时皮肤都不会被雨水击穿。所以手机信号总能量再大，也不一定比少量X射线对人体伤害大。X射线的波长在纳米级别，108倍小于手机的波长。介于这两者中间的是可见光，波长在几百纳米量级，我想，没有多少人会恐惧可见光吧？值得一提的是，太阳光还有部分紫外线，有些紫外线的波长短到足以电离电子，过多的暴晒在太阳光下并不是一件好事情。作为一个普通人，关于电离辐射的危害，可以记住这么几个数值：假如100单位的电离辐射引起了血细胞的浓度变化（姑且将之理解为危险的开始），那么一次胸部CT是6.6，一次24小时的高空飞行是0.2，一次X射线胸透是0.02，地面上人一整天接收到平均值是0.01。微波炉的波长比手机信号更长，能加热水和肉，为什么我们不恐惧空间中的微波呢？微波炉加热物体的能量来自