波的科普 1-機械波與電磁波

摘要

機械波也好、電磁波也好，並不是什麼神秘的東西，它們在現實生活中有著小學生都明白的例子。一味地恐懼電磁波是沒有必要的。相反，了解一些波的基本原理，反倒有利於我們的生活，例如，在地震中爭取到可貴的逃生時間。

《波的科普》系列文章之（一）

促使我（原作者）寫這組文章的原因有三個：

一、女法醫王雪梅在馬躍案中有一段笑話，「手機……突然接收了一個來自巨大網絡空間的異常信號，導致他的身體周圍突發電磁巨變……這個電磁巨變恰巧超越了……安全設施的最大防護能力」；

二、防輻射服顯然是商業騙局，不過打假者方舟子依然在深圳敗訴；

三、在我收到的大量民科郵件中，有一些民科用他們所認為的「波」的概念「解釋」現有的物理體系。有些錯誤的說法想駁斥非常難以直接展開，特別是對方用不是科學界通用的語言時，（比如「椅子聽見喇叭廣播，導致吃椅子的人肝臟燃燒，這個燃燒恰好超越了房間的溫控能力」）。

因此，《波的科普》這系列文章嘗試科普跟波相關的一些知識，讓讀者了解波的物理之後，在與之有關的事情上能有自己的判斷。

波，通常指有規律傳播著的擾動。機械擾動的傳播形成機械波，電磁擾動的傳播形成電磁波。本文將簡單介紹機械波和電磁波的產生方式和傳播規律。我們先從機械波講起。

形成機械波，需要兩個條件：擾動和提供傳播的介質。我們最熟悉的波是聲波，我們的身體是擾動的來源，空氣是提供傳播的介質，因為聲音無法在真空中傳播。最簡單的擾動是周期性擾動，例如一個音叉，在空氣中來回振動時近似一個周期性擾動，產生的波也是周期性的。我們可以通過周期性波來定義幾個概念：波長、周期、頻率和波速。

A點→B點
（縱波圖片來源：http://www.mediacollege.com/audio/01/sound-waves.html）

以上圖為例，黑色的點代表空氣分子，黑色點的疏密代表空氣分子的不同密度，我們有一個持續穩定的音源。聲音在空氣中的傳播引起了空氣分子的密度周期性變化。在某一特定時間，密度是有規律隨空間分布的，從密度最大點（A）到右邊相鄰密度最大點（B）的距離稱為波長。在A點，分子的密度也是隨時間有規律地變化，從此時密度最大的時刻到下一密度最大的時刻稱為周期，周期是由擾動的源（圖中為喇叭）決定的。波的頻率就是周期的倒數。聲音的傳播是有速度的，即波長除以周期。波長相當於密度最大點離開A點時，經歷一個周期後傳播的距離。可以想像一下，一個周期後，A點密度又回到最大，那麼此時原處於A的密度最大點正好傳播到了B點。

————————————————————→X軸
縱波與橫波
（圖片來源：http://www.physicsclassroom.com/class/waves/u10l1c.cfm）

空氣中的聲速大約是340米/秒，這跟介質（這裡是空氣）內部單元的相互作用力有關，通常，相互作用力越大、密度越低，波速越大。對於聲波，溫度越高、氣體摩爾質量越小（比如將空氣中的氮氣換成同等比例的氦氣），速度越快。 液體和固體中內部單元相互作用力大於氣體，所以液體和固體中的聲速大於氣體中的聲速。此外，固體中因為內部單元間有切向的力量（想像一長饅頭沿x軸放置，我們既可以沿x軸擠壓拉伸，也可以在y軸和z軸方向扯一扯，饅頭都不會斷裂），所以固體中可以有新的傳播方式。「擠壓拉伸」的波稱為縱波，空氣中聲音的傳播就是縱波，所謂「縱」，就是內部單元振動的方向沿著波的傳播方向；如果內部單元振動的方向垂直于波的傳播方向，就是橫波，如上圖右邊彈簧的示例。

相隔很遠的兩個人說話時，不考慮回聲的情況，甲的一個聲音只會在一個時間點到達乙的耳朵。但是，固體中的振動傳播有不同的振動模式，對應不同的相互作用力，因而對應不同的波速，振動可以在兩個不同時間點傳播到異地。例如，地震發生在地表幾十公裡甚至幾百公裡以下，而人類生活在地表以上，當地震的振動產生後，影響地表兩次，一次通過縱波傳遞，一次通過橫波傳遞，橫波的波速大約是縱波的60%。橫波對人類建築物的影響較大，如果人們探測到縱波，並且及時反應的話，也許能在橫波傳遞到地面前爭取到一些逃生時間。花崗巖中的縱波的速度大約是5000米/秒，假如地震發生在50公裡深處，橫波縱波的間隔是四秒鐘的時間，考慮到建築物不是第一時間就會倒塌，人往往能爭取到十幾秒以上的逃生時間。日本的地震預警系統就是為普通人群爭取這幾秒或者幾十秒的時間差。現在很多筆記本電腦有加速計，可以用來探測意外的衝擊，UC，Riverside的一位科學家就考慮過使用大量有加速計筆記本聯網作為測量網絡，探測和第一時間通知地震的發生。

電磁波是電磁振蕩的傳播，它不需要介質。一個簡單產生電磁振蕩的方法就是做交變運動的電荷系統，比如兩個連接在一起的導體球，一個帶正電荷，一個帶負電荷，導體球上的電荷交替變化。與之前提到的機械波不同，電磁波的振蕩是電場和磁場的振蕩，而不是介質內部單元的機械振蕩，正好電場與磁場都可以存在於真空中，所以電磁波可以在真空中傳播。當然，電磁波也可以在介質中傳播。在傳播過程中，電場與磁場的方向均垂直於傳播方向（見下圖），因此，電磁波是一種橫波。真空中，電磁波的波速可以理論推導而出，數值等於光速（299 792 458 m/s）；歷史上也因為如此，麥克斯韋預言光的實質就是電磁波。因為光速遠大於地震機械波的速度，人們得到地震縱波的信息後，通過電磁波傳播出去，才能在地震橫波抵達前將信息送到世界各地。

波的傳播方向向右。E代表電場，H代表磁場。
（圖片來源：http://web2.uwindsor.ca/courses/physics/high_schools/2010/ThreeDTV/wave.html）

電磁波與機械波一樣，也有波長和頻率，因為電磁波不同於機械波，在真空中的波速是固定值，因此，電磁波的頻率和波長是對應的。人們根據電磁波的不同波長或者不同頻率，將電磁波稱為無線電波、光、X射線等。可見光，就是我們最容易感知到的電磁波，我們所感知到不同顏色的光，就是不同波長的電磁波。無線電波中，可以通過頻率的變化傳遞信號，也可以通過振幅的變化傳遞信號，這就是無線電波中FM（Frequency modulation）和AM（Amplitude modulation）的來由。

圖中，波依照波長，被稱為Gamma射線、X射線、紫外、可見光、紅外、無線電波
（圖片來源：http://physics.tutorvista.com/waves/wavelength-spectrum.html）

由上可見，機械波也好、電磁波也好，並不是什麼神秘的東西，它們在現實生活中有著小學生都明白的例子。一味地恐懼電磁波，特別是因為未知而恐懼，是沒有必要的。現在應該很少有害怕電臺廣播在身邊無處不在的人了，至於可見光，人們要是害怕生活中也躲不了。

不同的電磁波與物質的相互作用方式不同，那麼，我們如何知道波的影響呢？本系列第二篇文章將從純物理的角度介紹波如何與物質相互作用。

作者：鎖相

來源：科學公園