人们的视线交叉,为什么却能互不干扰?

作者: 薛德堡

来源: 物含妙理

发布日期: 2024-06-15 10:31:13

本文探讨了为什么光线和声波在空间中相遇时,能够保持各自特性不相互干扰的现象。通过解释波的传播原理和线性叠加效应,说明了波在相遇时不会发生碰撞和相互影响的原因。

你有没有想过,为什么光线在空间中传播时,基本上能保持不受其他光线的干扰,径直射到的你的眼睛?例如下图中的⼈,虽然他们的视线相交,但不会影响他们独⽴地看各⾃喜欢的⻛景。同样,来⾃不同⽅向的声⾳,虽然它们在空中会相遇,但它们都⼏乎会各⾃完好⽆损的抵达想听它们的不同⽿朵。为什么?按理说,它们既然在空间中相遇,为什么却似乎完全不受影响呢?要回答这个问题,⾸先要搞明⽩什么是波。

先来看机械波,它是⼀种⽆形的东⻄的运动,这个东⻄是振动状态。例如,在看球时,你挥⼿,你的邻座也跟着⼀起挥⼿,然后下⼀个邻居也跟着这样做,逐渐,挥⼿的动作传到了很远的地方,形成了⼈浪游戏。这也是⼀种波的现象,它传播的是挥⼿的动作。在将挥⼿动作传给远处的⼈时,你并没有站起来⾛过去,但你的动作被远处的⼈重复着,由于动作的传播需要时间,越远处的⼈越晚开始挥⼿。

实际上,如果挥⼿⼀直持续——形成周期运动,那么这个⼈浪就是真正的波动,它的特点是:不同的位置都在周期运动,虽然节奏⼀致,但步调不同,越远处越滞后。声波就是⼀种典型的机械波。由于振源的位移的周期变化,带动邻近的空⽓分⼦振动,被带动的空⽓分⼦⼜带动它的邻居振动,就这样,振动由近及远的传播,就形成了声波。

光波是由于电荷的加速运动,引起横向的电场强度和磁场强度的振动,这种振动在空间中由近及远的传播就是电磁波,而光就是频率很高的电磁波。好,我们现在回到本文的核心问题——为什么波相遇时好像没有发生任何相互作用?有⼈会问:波不是物质吗?物质相遇不会碰撞吗?碰撞会造成影响啊!如果我说波本身不是物质,肯定有⼈不同意——光波不是物质嘛!好吧,光是电磁波,当然是物质,从量子论的角度看,光还是粒⼦呢!

那么问题就来了,两列光波相遇时,难道它们的光⼦之间完全不会发生碰撞吗?而只要⼀碰撞,光线不就会互相影响吗?对机械波来说,虽然波本身不是物质,但毕竟波是依赖于介质传播的,涉及粒⼦的振动!两个波相遇,意味着介质的粒⼦应该也相遇了吧?可为什么就是毫发无损呢?呃,这样看来,问题还真不好对付啊!这背后到底是什么机制在起作用呢?简单地说,这件事与介质对波的相应是否⼀致有关。

具体点就是,⼀般情况下,不同频率的波的传播速度都是⼀样的,波相遇时,振动只是线性地叠加,所以波相互之间没有相互影响。是不是⼜觉得好难理解?那就继续听我唠叨吧。波在介质中传播时,它的速度会受到很多因素的影响。若波速因不同的频率而不同,这是一种非线性效应,或者说产生了波的⾊散。但⼀般情况下,波速只由介质的决定而与波的频率无关,换句话说,不同频率或者强度的波,传播速度是⼀样的,也就是没有⾊散。

如上图所示,这两个相向而行的波,无论它们的频率是什么关系,由于它们在介质中具有同样的波速,所以相遇时点,振动状态线性叠加——偏离平衡位置的位移和振动速度都是直接相加。如下图所示,波相遇时,振动就这样简单的叠加。好,抓住这一点,现在就好理解了!

对于声波来说,当两个声波经过空间某个质点时,该质点同时具有两个波引起的振动,它们根据线性叠加原理,按矢量的合成规律——平行四边形法则或三角形法则,形成一个合振动,被这个粒⼦拥有,并没有什么碰撞发生!你可能会担心:旁边的质点会不会撞上来?答案是:不会!因为波满足线性叠加原理,使得所有的质点都会平等地产⽣合振动。它们都乖乖地在它们各自的平衡位置附近来回振动。

既然只有一个波时,你不担心相互间隔的质点会相互碰撞,那么波相遇时形成合振动后,只导致每个质点都改变了振动方向和幅度,非近邻的质点之间当然也不会发生碰撞了。只有那些紧邻质点会反复推搡和远离——因为它们本来靠这个而带动彼此振动嘛,即使只有一个波时也是如此。对于光波来说,如果你完全把它看作波,也是一样的理解。

两个光波相遇点,空间的电场强度和磁场强度也不过基于线性叠加原理,形成各自的合振动罢了,因为矢量是独立的,它们之间也不会互相影响,待穿过彼此之后,电磁场又各自回归本来的样子——保持原有的振幅、相位和频率。下图给出的就是电场强度相互垂直的电磁波相遇时的叠加效果。如果你把光理解为光⼦的粒⼦流,那解释当然会不同了,涉及量子场论之类的复杂理论。

简单地说,⾸先,光⼦是玻⾊⼦,不受泡利不相容原理的约束,很多光⼦处在同⼀点也不会有什么问题;另外,光⼦不带电,它们彼此之间几乎没有相互作用,自然也就没有影响了。需要指出的时,这里我们只讨论低能的情况,当能量非常高时,光⼦之间可能会通过各种非线性效应相互影响,这属于双光⼦物理学的内容。

总之,对于光和声音,在一般情况下,尤其是在空气中时,没有⾊散,所以波都是按照上面这种模式传播,这使得波穿越彼此之后,能保持原有的特性继续传播。基于这个原因,在⼀般介质中行进的声波或光波,都基本能保持原样传播,即使路径交叉,也是毫发无损。所以,我们也不用担心看到的光或听到的声音受到破坏。

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