聲光形異質(zhì)同

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聲光形異質(zhì)同

云南省宣威市第一中學(xué)校何永雙

摘 要：筆者通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)聲、光現(xiàn)象的觀察和思索，發(fā)現(xiàn)聲和光緊密聯(lián)系，有很多相同之處。大量資料證實(shí)聲和光可以相互轉(zhuǎn)化，聲和電也可以相互轉(zhuǎn)化。電視節(jié)目《挑戰(zhàn)不可能》中的“聲吶人”陳燕以耳觀物，利用反射聲音定位，精準(zhǔn)辨物，說(shuō)明聲和光傳遞信息的功效等同。理論構(gòu)造物“聲子”在很多實(shí)驗(yàn)中具有一個(gè)量子粒子所有的屬性，在實(shí)在性上其與真實(shí)粒子難以區(qū)分。聲子的實(shí)在性若被公認(rèn)，那么就可以說(shuō)明聲音也具有粒子性，即聲光都具有波粒二象性。筆者大膽提出：聲光實(shí)為一體——形異質(zhì)同。

關(guān)鍵詞：信息 能量 光聲效應(yīng) 聲光效應(yīng) 光電效應(yīng) 聲電效應(yīng)

一、生活中的一些現(xiàn)象

打雷時(shí)，閃電和雷聲會(huì)同時(shí)發(fā)生。鐵匠打鐵時(shí)，聲音和火花同時(shí)產(chǎn)生?；疖?chē)剎車(chē)時(shí)，車(chē)輪和軌道摩擦同時(shí)發(fā)出聲音和亮光。大多情況下，我們聽(tīng)到物體發(fā)聲卻看不到物體發(fā)光，看到發(fā)光體時(shí)聽(tīng)不到聲音。這就能否定聲、光沒(méi)有同時(shí)發(fā)生嗎？人的聽(tīng)覺(jué)頻率范圍（20～20000Hz）有限，人感知聲音響度的大小也在一定范圍內(nèi)。人的視覺(jué)接受光的頻率范圍（3.8×1014～7.9×1014Hz）也極為有限。人感知可見(jiàn)光的強(qiáng)弱也在一定范圍內(nèi)。人們聽(tīng)到、看到的不一定真實(shí)。任何物體都在不停地向外輻射紅外線，振動(dòng)的物體也不例外。紅外線是光，人們看不到。沒(méi)有絕對(duì)靜止的物體，既然物體在運(yùn)動(dòng)，那么它的內(nèi)部就在振動(dòng)。振動(dòng)的物體一定發(fā)聲，很多聲音人們感知不到。任何物體都在同時(shí)發(fā)光和發(fā)聲。

二、聲與光的相同之處

聲音是由物體振動(dòng)產(chǎn)生的。物體振動(dòng)要通過(guò)外界注入能量，物體獲得外界的能量，然后以聲波的形式把能量輻射到外界。光是原子內(nèi)部電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)而釋放出來(lái)的，電子發(fā)生能級(jí)躍遷同樣需要外界能量注入。聲音以波的形式向四周傳播，其作用是傳遞信息和能量。光同樣以波的形式向四周傳播，其功用是傳遞信息和能量。光和聲均為信息的載體，是能量的不同表現(xiàn)形式。

三、光和聲可以相互轉(zhuǎn)化

1. 光轉(zhuǎn)化為聲

思想實(shí)驗(yàn)：能量較強(qiáng)的激光照射到表面粗糙且是黑色的輕質(zhì)薄金屬片上，金屬片彈性較好。由于光透不過(guò)去，金屬片接受了強(qiáng)能量，必然引起內(nèi)部分子、原子的激烈運(yùn)動(dòng)。分子原子的強(qiáng)烈振動(dòng)，帶動(dòng)輕質(zhì)薄金屬片整體振動(dòng)，這樣金屬片必然發(fā)出聲音。這就說(shuō)明光可以轉(zhuǎn)化為聲音。

A.G.Bell于1880年發(fā)現(xiàn)光聲效應(yīng)。光聲效應(yīng)指光照射某種媒質(zhì)時(shí)，媒質(zhì)對(duì)光的吸收會(huì)使其內(nèi)部的溫度改變，從而引起媒質(zhì)內(nèi)某些區(qū)域結(jié)構(gòu)和體積的變化。當(dāng)采用脈沖光源或調(diào)制光源時(shí)，媒質(zhì)溫度的升降會(huì)引起媒質(zhì)的體積漲縮，媒質(zhì)向外輻射聲波，即光生聲。光聲效應(yīng)應(yīng)用于檢測(cè)物質(zhì)的組成和特性，還應(yīng)用在光聲譜技術(shù)、光聲顯微鏡技術(shù)等。

西安理工大學(xué)的張海英、郭人通等發(fā)明了一種將五線譜圖像轉(zhuǎn)換為聲音文件的方法。該方法將圖像轉(zhuǎn)換為聲音，即光轉(zhuǎn)化為聲。

2. 聲轉(zhuǎn)化為光

思想實(shí)驗(yàn)：強(qiáng)烈振動(dòng)的自動(dòng)機(jī)械裝置放到大玻璃罩內(nèi)，實(shí)驗(yàn)者將玻璃罩內(nèi)的空氣抽出，機(jī)械振動(dòng)發(fā)出聲音，但是由于沒(méi)有介質(zhì)傳播，聲音無(wú)法傳出。由能量守恒可知聲音攜帶的能量不可能消失，只能以紅外線的形式把能量熱輻射出來(lái)。這樣聲音會(huì)轉(zhuǎn)化為光。

超聲波通過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長(zhǎng)，產(chǎn)生彈性應(yīng)變。該應(yīng)變隨時(shí)間和空間做周期性變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間現(xiàn)象，如同一個(gè)相位的光柵。當(dāng)光通過(guò)這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為聲光效應(yīng)。

例如，輪船上的聲吶系統(tǒng)利用超聲波繪制海底圖樣，醫(yī)院用的彩超儀器利用超聲波探測(cè)病人身體內(nèi)部情況。這些其實(shí)都是將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，即聲轉(zhuǎn)化為光。

四、聲光聯(lián)系緊密的種種現(xiàn)象

1.人如何通過(guò)光和聲傳遞的信息形成知覺(jué)

人感知聲音的基本過(guò)程為：外界傳來(lái)聲音引起鼓膜振動(dòng)，振動(dòng)經(jīng)過(guò)聽(tīng)小骨及其他組織傳給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)再把信號(hào)傳給大腦，大腦分析處理后，形成知覺(jué)。

人視覺(jué)感知的基本過(guò)程為：可見(jiàn)光照射到物體，光被物體反射，進(jìn)入人的眼睛，眼睛通過(guò)接收及聚合光線得到物體的影像，然后視覺(jué)神經(jīng)把接收到的信息傳到腦部進(jìn)行分析，形成知覺(jué)。以此，人們可辨認(rèn)物象的外貌和所處空間及該物在外形和空間上的改變。從視覺(jué)本質(zhì)分析，人們感知物體，物體的粒子和我們的視覺(jué)神經(jīng)未發(fā)生作用，而是光子先和物體作用，然后和人的視覺(jué)神經(jīng)發(fā)生作用，大腦才感知到物體。因此，人們直接觀看物體與人們?cè)谙嗥?、視頻上觀看物體沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。聽(tīng)覺(jué)的實(shí)現(xiàn)或許是某種粒子（暫且叫“聲子”）先和物體作用，然后再和聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)作用，大腦才感知到物體。

2. “聲吶人”陳燕

中央電視臺(tái)電視節(jié)目《挑戰(zhàn)不可能》中的選手陳燕是一名盲人。節(jié)目中，選手對(duì)著物體或人，用拍手、學(xué)鳥(niǎo)叫、學(xué)狼嚎等行為，通過(guò)反射波用耳朵辨別物體。選手成功在20多個(gè)對(duì)象中辨別出真人與塑料模特、大人與孩子。她以耳觀物，利用反射聲音定位，精準(zhǔn)辨物。她用聽(tīng)覺(jué)功能代替視覺(jué)功能，這表明聲和光傳遞信息的功效等同。

3. 聲、光與電的關(guān)聯(lián)

（1）光電效應(yīng)

光電效應(yīng)指在高于某特定頻率的光照射下，某些物質(zhì)內(nèi)部的電子會(huì)被光子激發(fā)出來(lái)，形成電流。

（2）聲電效應(yīng)

思想實(shí)驗(yàn)：當(dāng)高于極限頻率的光照射在金屬表面時(shí)，會(huì)有電子從金屬表面逸出。聲音也具有能量，頻率不同的聲音不計(jì)其數(shù)，聲音中高于極限頻率的聲波作用在某物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部的電子獲得能量會(huì)逸出該物質(zhì)表面。聲電效應(yīng)是通過(guò)半導(dǎo)體傳播的聲波作用，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象。聲波（縱波）在半導(dǎo)體中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的周期性勢(shì)場(chǎng)波（波的周期與聲波相同）。在原子半導(dǎo)體中，聲波將產(chǎn)生畸變勢(shì)周期性勢(shì)場(chǎng)（波幅較?。?。在壓電半導(dǎo)體中，聲波將產(chǎn)生壓電周期性電勢(shì)場(chǎng)（波幅很大）。如果這時(shí)有電子通過(guò)，電子的平均自由程比聲波的波長(zhǎng)小時(shí)，則電子將會(huì)不斷遭受聲子的散射而損失能量，電子被聲波產(chǎn)生的周期性電勢(shì)場(chǎng)的波谷俘獲。同時(shí)，聲波傳播時(shí)，電子即被聲波勢(shì)場(chǎng)牽引，向前運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即聲生電。

五、光具有波粒二象性，聲音同樣具有波粒二象性

光的衍射、干涉實(shí)驗(yàn)證明光具有波動(dòng)性，光電效應(yīng)證明光是由不連續(xù)的光子組成，光具有粒子性。聲音同樣能發(fā)生衍射和干涉說(shuō)明它也具有波動(dòng)性。聲子是指晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量量子，物理學(xué)家在最初引入聲子概念時(shí)，認(rèn)為聲子僅僅是一種理論構(gòu)造物，只是對(duì)固體中原子的集體運(yùn)動(dòng)狀況的描述。至今，大多數(shù)人也認(rèn)為聲子是一種非真實(shí)的準(zhǔn)粒子。但在特定的超聲實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家通過(guò)利用兩個(gè)狹窄的超聲束在相互作用中產(chǎn)生第三個(gè)聲子束，利用聲子對(duì)中子的非彈性散射，確定了聲子的色散關(guān)系。例如，在鐵磁體中的一個(gè)聲子可以衰變成為一對(duì)磁振子，一個(gè)聲子可以衰變?yōu)橐粚?duì)不同類(lèi)型的聲子，一個(gè)電子可以吸收或發(fā)射一個(gè)聲子。這些現(xiàn)象證明聲子具有量子粒子所有的屬性，聲子與真實(shí)粒子在實(shí)在性上難以區(qū)分。聲子的實(shí)在性一旦被肯定，那么就說(shuō)明聲音具有粒子性。

六、結(jié)論

聲光同時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象、光聲效應(yīng)、光電效應(yīng)、聲電效應(yīng)、聲光的波粒二象性、聲電與光電間的緊密關(guān)系等，能夠說(shuō)明聲和光存在的共性較多。筆者大膽猜想聲和光的本質(zhì)相同，它們均以能量的方式存在，均為信息載體，只是表現(xiàn)形式不同。

參考文獻(xiàn)：

［1］光聲效應(yīng).百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/link？url= OwxwFYpj68h929BL0CPQ8SZGh56vjZuxjSqJC40a6bJwlx3eq qcwMZxpD4-KLMnfu6hKWvMqN_xpn3KWKmxexa

［2］聲光效應(yīng).百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ link？url=9G7GYw_z8mYPZImO4idAZkixjudbjHmaVBpmo4K SpacaneLIEyKBbzWCJWeStIuu-o3vTAdNvBhe_0uZNSNT7q

［3］聲子.百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ link？url=fyc05u2wtDveg-HyCrUKsGki35yvD7aaEyA9LTqrF aUDSTJ7nEs9xqVx8YLsif2-EH-M62AUprDL3eCZQK7n-91LdW4K-46qiCsBy7XgeaW

文章編號(hào)：ISSN2095-6711/Z01-2016-05-0256