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声音是什么?

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  “叮铃铃——”

  从早晨第一声清脆的闹铃声开始,脚步声、哗哗流水声、说话声——各种声音就接连涌进我们的耳朵里,除了睡觉的时候,我们几乎时时刻刻都能听到它们,可声音到底是什么呢?又是怎么来的呢?

  虽然声音摸不着、看不见,但有一种方法可以让你间接地“摸”到它、看到它。拿出你的玩具鼓,左手放在鼓面一边,右手用鼓槌用力捶向另一边,同时仔细观察鼓面,感觉到了吗?

  没错,鼓面在振动,这就是声音的本质——由物体振动产生的声波。发出“咚咚咚”声响的鼓是“声源”,也就是声音产生的源头。可是振动的鼓产生的声波又是怎么到我们的耳朵里的呢?

  虽然鼓和我们之间并没有电话线连接,但是在我们周围其实到处都是声音的“信使”——空气。空气里有很多氮气、氧气等气体分子,鼓的振动带动了它附近的气体分子的振动,然后就像接力赛一样,把声波传向四周,也传到了我们的耳朵里。

  在我们的耳朵里也有一面“小鼓”——鼓膜,它是一片半透明的薄膜,声波穿过外耳道后就会撞上它,让它振动起来,鼓膜接着把振动传给听小骨,最后再传到耳蜗里的液体那里,使液体发生波动,这种波动被神经细胞转化成神经冲动,传到大脑的听觉神经中枢,才让我们听到了声音。

  在宏观世界中,无论是空气、水,还是固体都可以成为声音传播的介质,没有介质声音就无法传播,最先发现这一点的是17世纪的英国物理学家罗伯特·波义耳。

  当时,他做了一个非常著名的实验。波义耳将一个闹钟放进了一个大玻璃罩里,并且让闹钟一直响着。即使有玻璃罩的阻挡,大家也还是能清楚地听到闹钟不停吵闹的声音。接着,波义耳变了个“魔术”,让闹钟安静下来了!

  他用真空泵抽走了玻璃罩中的空气,随着空气越来越少,闹钟的声音也越来越弱,最后几乎听不到了。但是一打开玻璃罩,闹钟就又开始吵了。

  现在我们知道,这是因为声音的传播需要介质,在我们的日常生活中,最主要的声音传播介质就是空气。

  人们利用这个原理制造出了隔音窗。它由两面玻璃制成,中间是几乎真空的状态,这就像是为声波设置了一条鸿沟,让它无法跨越到窗户的另一侧。

  虽然从宏观世界中看,声音的传播需要介质,但微观的量子世界却打破了这个规则。就在不久前,科学家们发现真空也在极短距离内能传播声音!

  实际上,真空并不是什么都没有,它的确没有原子、分子这类实物粒子,但是却存在着由“虚粒子”构成的量子场,类似于电子形成的电场,它们不断产生又消失,就像水波振荡时激起的小水珠,弹起又回落,这个现象被称为量子涨落。科学家发现,当真空中的两片薄膜靠得很近时,一片薄膜的振动就可以通过量子涨落传给另一片薄膜,这就意味着,声波通过了真空!

  然而,这种现象目前仅限于奇妙的量子世界,在我们的宏观世界,想要听到声音依然需要介质。

  参考资料:

  https://www.explainthatstuff.com/sound.html

  Fong, K.Y., Li, H., Zhao, R. et al. (2019). Phonon heat transfer across a vacuum through quantum fluctuations. Nature 576, 243–247

  作者:Mirror

  审稿:张轩中(科普作家,中国物理学会会员)