聲光形異質同

云南省宣威市第一中學校　何永雙

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聲光形異質同

云南省宣威市第一中學校何永雙

摘 要：筆者通過長時間對聲、光現象的觀察和思索，發現聲和光緊密聯系，有很多相同之處。大量資料證實聲和光可以相互轉化，聲和電也可以相互轉化。電視節目《挑戰不可能》中的“聲吶人”陳燕以耳觀物，利用反射聲音定位，精準辨物，說明聲和光傳遞信息的功效等同。理論構造物“聲子”在很多實驗中具有一個量子粒子所有的屬性，在實在性上其與真實粒子難以區分。聲子的實在性若被公認，那么就可以說明聲音也具有粒子性，即聲光都具有波粒二象性。筆者大膽提出：聲光實為一體——形異質同。

關鍵詞：信息 能量 光聲效應 聲光效應 光電效應 聲電效應

一、生活中的一些現象

打雷時，閃電和雷聲會同時發生。鐵匠打鐵時，聲音和火花同時產生。火車剎車時，車輪和軌道摩擦同時發出聲音和亮光。大多情況下，我們聽到物體發聲卻看不到物體發光，看到發光體時聽不到聲音。這就能否定聲、光沒有同時發生嗎？人的聽覺頻率范圍（20～20000Hz）有限，人感知聲音響度的大小也在一定范圍內。人的視覺接受光的頻率范圍（3.8×1014～7.9×1014Hz）也極為有限。人感知可見光的強弱也在一定范圍內。人們聽到、看到的不一定真實。任何物體都在不停地向外輻射紅外線，振動的物體也不例外。紅外線是光，人們看不到。沒有絕對靜止的物體，既然物體在運動，那么它的內部就在振動。振動的物體一定發聲，很多聲音人們感知不到。任何物體都在同時發光和發聲。

二、聲與光的相同之處

聲音是由物體振動產生的。物體振動要通過外界注入能量，物體獲得外界的能量，然后以聲波的形式把能量輻射到外界。光是原子內部電子由高能級躍遷到低能級而釋放出來的，電子發生能級躍遷同樣需要外界能量注入。聲音以波的形式向四周傳播，其作用是傳遞信息和能量。光同樣以波的形式向四周傳播，其功用是傳遞信息和能量。光和聲均為信息的載體，是能量的不同表現形式。

三、光和聲可以相互轉化

1. 光轉化為聲

思想實驗：能量較強的激光照射到表面粗糙且是黑色的輕質薄金屬片上，金屬片彈性較好。由于光透不過去，金屬片接受了強能量，必然引起內部分子、原子的激烈運動。分子原子的強烈振動，帶動輕質薄金屬片整體振動，這樣金屬片必然發出聲音。這就說明光可以轉化為聲音。

A.G.Bell于1880年發現光聲效應。光聲效應指光照射某種媒質時，媒質對光的吸收會使其內部的溫度改變，從而引起媒質內某些區域結構和體積的變化。當采用脈沖光源或調制光源時，媒質溫度的升降會引起媒質的體積漲縮，媒質向外輻射聲波，即光生聲。光聲效應應用于檢測物質的組成和特性，還應用在光聲譜技術、光聲顯微鏡技術等。

西安理工大學的張海英、郭人通等發明了一種將五線譜圖像轉換為聲音文件的方法。該方法將圖像轉換為聲音，即光轉化為聲。

2. 聲轉化為光

思想實驗：強烈振動的自動機械裝置放到大玻璃罩內，實驗者將玻璃罩內的空氣抽出，機械振動發出聲音，但是由于沒有介質傳播，聲音無法傳出。由能量守恒可知聲音攜帶的能量不可能消失，只能以紅外線的形式把能量熱輻射出來。這樣聲音會轉化為光。

超聲波通過介質時會造成介質的局部壓縮和伸長，產生彈性應變。該應變隨時間和空間做周期性變化，使介質出現疏密相間現象，如同一個相位的光柵。當光通過這一受到超聲波擾動的介質時就會發生衍射現象，這種現象被稱為聲光效應。

例如，輪船上的聲吶系統利用超聲波繪制海底圖樣，醫院用的彩超儀器利用超聲波探測病人身體內部情況。這些其實都是將聲音信號轉化為圖像信號，即聲轉化為光。

四、聲光聯系緊密的種種現象

1.人如何通過光和聲傳遞的信息形成知覺

人感知聲音的基本過程為：外界傳來聲音引起鼓膜振動，振動經過聽小骨及其他組織傳給聽覺神經，聽覺神經再把信號傳給大腦，大腦分析處理后，形成知覺。

人視覺感知的基本過程為：可見光照射到物體，光被物體反射，進入人的眼睛，眼睛通過接收及聚合光線得到物體的影像，然后視覺神經把接收到的信息傳到腦部進行分析，形成知覺。以此，人們可辨認物象的外貌和所處空間及該物在外形和空間上的改變。從視覺本質分析，人們感知物體，物體的粒子和我們的視覺神經未發生作用，而是光子先和物體作用，然后和人的視覺神經發生作用，大腦才感知到物體。因此，人們直接觀看物體與人們在相片、視頻上觀看物體沒有本質區別。聽覺的實現或許是某種粒子（暫且叫“聲子”）先和物體作用，然后再和聽覺神經作用，大腦才感知到物體。

2. “聲吶人”陳燕

中央電視臺電視節目《挑戰不可能》中的選手陳燕是一名盲人。節目中，選手對著物體或人，用拍手、學鳥叫、學狼嚎等行為，通過反射波用耳朵辨別物體。選手成功在20多個對象中辨別出真人與塑料模特、大人與孩子。她以耳觀物，利用反射聲音定位，精準辨物。她用聽覺功能代替視覺功能，這表明聲和光傳遞信息的功效等同。

3. 聲、光與電的關聯

（1）光電效應

光電效應指在高于某特定頻率的光照射下，某些物質內部的電子會被光子激發出來，形成電流。

（2）聲電效應

思想實驗：當高于極限頻率的光照射在金屬表面時，會有電子從金屬表面逸出。聲音也具有能量，頻率不同的聲音不計其數，聲音中高于極限頻率的聲波作用在某物質時，物質內部的電子獲得能量會逸出該物質表面。聲電效應是通過半導體傳播的聲波作用，產生的電動勢現象。聲波（縱波）在半導體中傳播時，會產生額外的周期性勢場波（波的周期與聲波相同）。在原子半導體中，聲波將產生畸變勢周期性勢場（波幅較小）。在壓電半導體中，聲波將產生壓電周期性電勢場（波幅很大）。如果這時有電子通過，電子的平均自由程比聲波的波長小時，則電子將會不斷遭受聲子的散射而損失能量，電子被聲波產生的周期性電勢場的波谷俘獲。同時，聲波傳播時，電子即被聲波勢場牽引，向前運動，會產生電動勢，即聲生電。

五、光具有波粒二象性，聲音同樣具有波粒二象性

光的衍射、干涉實驗證明光具有波動性，光電效應證明光是由不連續的光子組成，光具有粒子性。聲音同樣能發生衍射和干涉說明它也具有波動性。聲子是指晶格振動的簡正模能量量子，物理學家在最初引入聲子概念時，認為聲子僅僅是一種理論構造物，只是對固體中原子的集體運動狀況的描述。至今，大多數人也認為聲子是一種非真實的準粒子。但在特定的超聲實驗中，物理學家通過利用兩個狹窄的超聲束在相互作用中產生第三個聲子束，利用聲子對中子的非彈性散射，確定了聲子的色散關系。例如，在鐵磁體中的一個聲子可以衰變成為一對磁振子，一個聲子可以衰變為一對不同類型的聲子，一個電子可以吸收或發射一個聲子。這些現象證明聲子具有量子粒子所有的屬性，聲子與真實粒子在實在性上難以區分。聲子的實在性一旦被肯定，那么就說明聲音具有粒子性。

六、結論

聲光同時發生的現象、光聲效應、光電效應、聲電效應、聲光的波粒二象性、聲電與光電間的緊密關系等，能夠說明聲和光存在的共性較多。筆者大膽猜想聲和光的本質相同，它們均以能量的方式存在，均為信息載體，只是表現形式不同。

參考文獻：

［1］光聲效應.百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/link？url= OwxwFYpj68h929BL0CPQ8SZGh56vjZuxjSqJC40a6bJwlx3eq qcwMZxpD4-KLMnfu6hKWvMqN_xpn3KWKmxexa

［2］聲光效應.百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ link？url=9G7GYw_z8mYPZImO4idAZkixjudbjHmaVBpmo4K SpacaneLIEyKBbzWCJWeStIuu-o3vTAdNvBhe_0uZNSNT7q

［3］聲子.百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/ link？url=fyc05u2wtDveg-HyCrUKsGki35yvD7aaEyA9LTqrF aUDSTJ7nEs9xqVx8YLsif2-EH-M62AUprDL3eCZQK7n-91LdW4K-46qiCsBy7XgeaW

文章編號：ISSN2095-6711/Z01-2016-05-0256