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人们的视线交叉,为什么却能互不干扰?
学术
2024-10-07 18:01
北京
文章来源:
物含妙理
原文作者:
薛德堡
本文解释了
光线在空间中传播时能保持不受其他光线的干扰,径直射入我们眼睛的原因。
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风景。
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,它是一种无形的东西的运动,这个东西是振动状态。
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响应是否一致有关。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。
END
转载内容仅代表作者观点
不代表中国科学院半导体所立场
编辑:猫薄荷
责编:六块钱的鱼
投稿邮箱:weixin@semi.ac.cn
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中国科学院半导体研究所
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