互动科普

有能够绕过墙壁不形成“影子”的“光”吗？

在建筑物里发出的声音，周围有四壁，上有天花板下有地板阻隔，无法传播到外面。但是，如果只有四壁，顶部敞开，内部的声音仍然可以被外面的人听见。这是声音作为波绕过障碍物传播的一种现象，称为“衍射”（也称“绕射”）。

衍射是波所特有的现象。光作为波，也应该有这种现象。然而，太阳光却不能照射到墙壁的背后。声音和光都是波，两者为什么有这种差别呢？

答案在于波长不同。衍射，不论声音还是光，都是对于长波长的波才比较显著，而对于短波长的波则几乎觉察不到。例如人发出的声音，波长为数十厘米到1米，绕过障碍物的这种现象十分明显。可是太阳光，波长小于1/1000毫米，非常短，几乎不发生衍射。

如此说来，只要改变波长，不是就应该有“不能够绕过障碍物的声音”和“能够绕过障碍物的光”吗？不错，确实有这样的声音和这样的光。蝙蝠发出的超声波，波长很短，只有2〜3毫米，就几乎不会绕过障碍物。另一方面，移动电话用作通讯的无线电波，尽管也属于光，却能够顺利地绕过障碍物。在房间里也能够使用移动电话接听来电，利用的就是无线电波的这种衍射现象。

图1. 衍射大小为何因波长而不同

严格地说，短波长的光也会发生衍射，只不过短波长的光由于衍射能够绕射到障碍物后面的范围十分狭窄（衍射小）而已。只有长波长的光才能够绕射到障碍物后面一个很宽的范围（衍射大）。虽然两种情形都有衍射，我们通常只会觉察到长波长的光的衍射。

声波能够击碎石头！这是怎么回事？

近些年来，体内长有“结石”的患者大多无需接受开刀手术便可以得到治疗。这是因为已经有了在体外产生声波来击碎体内结石的一种相当成熟的超声波碎石治疗技术。声音为何能够击碎石头呢？

这是因为声音具有能量。击碎结石，利用的是一种叫做“冲击波”的声音。冲击波的“疏”和“密”两部分的差别非常大。将这种冲击波聚集到一点，能够使位于焦点的结石产生剧烈振动。经受不住这种剧烈振动的结石，过一会儿就会被击碎。这里的道理类似于用放大镜聚焦太阳光来点燃物品。

那么，我们平时怎么看不见有什么物体由于声音引起振动而被破坏呢？其实，就连我们说话的声音碰到物体也会使它们发生振动。不过，周围声音引起物体的振动微乎其微，我们的眼睛看不见，不容易引起我们注意而已。我们的耳朵平时听见的都是这种能量很小的声音，那是因为我们的听觉非常灵敏的缘故。

不过，在自然界也并不是没有声音破坏物体的事情发生。

例如日本宫崎县和鹿儿岛县交界处的新燃岳火山在2011年2月上旬发生爆发时，就出现了火山爆发引起的叫做“空振”（空气振动）的强大冲击波。那股冲击波使得远在3〜4千米的建筑物的玻璃窗全部碎裂，连距离更远的长崎县房屋的窗玻璃也都在作剧烈振动。声音震裂窗玻璃，就像强风吹破玻璃一样。

光也具有能量。例如，利用光的折射可以用放大镜将光聚焦于一点，点燃黑纸。在微波炉中，则是产生属于光的微波照射食物，使其中的水分子振动来进行加热。

图2. 不用开刀，利用聚焦的冲击波来击碎体内的结石

这里图解显示了“超声波碎石技术”的原理。这是一种将“疏”和“密”的部分相差非常大的冲击波聚焦于一点来击碎“尿道结石”的治疗技术。在1990年左右普遍使用了这项从体外发射冲击波来击碎体内结石的技术以后，许多患者都免除了接受开腹手术。实行这项技术的一种装置如下图所示。进行这种治疗需要预先使用X射线或者超声波探测到结石的准确位置，然后反复照射聚焦的冲击波来击碎结石。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）