同学们好，欢迎来到悟理学院，今天很高兴向大家介绍一下“振动与波”。“波”听起来非常寻常，没有什么特别的，但实际上波和我们的生活息息相关。想象一下，我们在三亚度假，沐浴在温暖的阳光下，晒在我们身上的是光波；我们看着海浪涌上来、退下去，这是水波；我们听着优美的音乐，这是声波；有时候还要刷着手机，发个朋友圈，联络靠的是微波，由此可见波和我们的生活息息相关，没有了波，我们的生活将失去99.9%的色彩。
在物理学里波也是一个非常特别的存在，不管是热、力、光、电，从原子到分子再到宇宙学，波无处不在。虽然没有做过统计，但是我相信如果大家看完悟理学院整个节目的话，保守地说有80%的内容都会涉及到波。
让我们从振动讲起。为什么从振动开始呢？因为振动实际上是波的起源。最简单的振动是简谐振动，而第一个记载简谐振动实验的人是伽利略。伽利略在这两本对话书里阐述了观察实验与数学原理相结合的科学方法，这就是他被称为现代科学之父的原因。
波有几种形式，波根据它行进与否可以分为行进波或者驻波。如图所示，当一个物体振动时，产生的波会往外传播出去，大家看起来像是物质也往外传播了，其实不然，物质并没有传播，它只在原地上下振动。这是一个什么样的原理呢？大家如果在体育场看过人浪的话，可以观察到在一定节奏下所有的人站起来落下去，看起来就像一个波在体育场中传播，但所有的人并不是在移动，而只是上下运动，看起来的效果就是波在往前传播。
波具有一个很显著的效应——多普勒效应。声波是多普勒效应一个典型的例子，如图所示，当一个波源向人耳靠近的时候，它的频率会升高，而远离的时候，它的频率会降低。
提到波我们就不能不提到波的两个特性——衍射和干涉。什么是衍射？当一个波穿过一个孔，孔径远远大于波长的情况下，主要的波好像并不会碰到孔径，虽然两边被挡住了，但中间的波还是沿直线传播，而当孔径比波长还要小的情况下，如图所示，就像一个球面波往外传播，我们所有的理论都要和实验相结合，下边的图是用水波做的实验，与理论计算符合得非常漂亮。
波和物体大小的关系能告诉大家什么呢？波存在极限分辨率，当阻碍物的大小等于λ情况下，可以看到在阻碍物的旁边，出现两道很清晰的阴影。利用这个知识，可以解释一些现象。比如说蝙蝠为什么用超声波而不是次声波来观测物体，超声波频率非常高，大概在105赫兹，空气中声速大概是300m/s，算出来波长大概是3mm，换言之3mm大小的物体，可以被它探测到，如果小于3mm就不能探测到。
光是粒子还是波，在历史上有着长期的争议。托马斯·杨利用双缝衍射实验证明了光的波动性，激光笔是一种非常好的相干光源，在家里就可以利用它做一下这个实验。设计一个单缝衍射实验或一个双缝干涉实验都非常简单，随着微加工技术的提高，在激光笔上装上一个激光头，就会陈列出非常漂亮的图案。这些漂亮图案实际上是衍射的条纹。
既然光是一种波，那它一定可以产生干涉现象。干涉有什么用呢？
在这里举一个非常著名的例子——迈克尔逊干涉仪，这是当时检测出光速不变的一个仪器。它的基本原理是：当光从激光器发出到一个分光片被分成两束光，一束到另一个镜子反射回来到屏幕，另外一束光到另外一个镜子同样反射回来到屏幕，这两束光在屏幕上会发生干涉，当这两个臂的距离有相对的变化，那么它的衍射条纹会随着它的距离的变化而改变，稍微改变一点它的衍射条纹就可以改变很多，可以精确测量。
在高中课本里，我们就知道变化的磁场会产生变化的电场，变化的电场也会产生磁场，麦克斯韦利用这个关系再加上其它两个方程，写出了很多物理学家认为是美轮美奂的麦克斯韦方程组，并在这个方程组里预测了电磁波的存在。电磁波基本的原理就在于磁场产生电场，电场产生磁场，就像鸡生蛋，蛋生鸡，电磁波会一直的传播下去。
极小尺度的粒子都是有波动性的，在极大尺度上来说同样是有波的，一个例子就是著名的引力波。引力波是爱因斯坦通过广义相对论预测的，他预言如果有两个质量非常大的物体在互相旋绕，就会产生时空的涟漪，也就是关于时空的波，这种波会光速向四周扩散，那么会引起什么样的结果呢？实验物理学家花了100年来寻找引力波的实验证据，直到最近LIGO终于探测到了引力波。