波与物质的相互作用

《波的科普》系列文章之（二）

机械波与物体相互作用的一个例子是共振。当一个物体受振动源的影响时，相当于这个物体在外界强迫下振动，也称为受迫振动。这个物体一边从振动源处接收能量，一边将能量传递出去，最终的振动接受者将能量传递出去的方式可以是物体内部的粘滞阻力。物体本身有各种各样的特征振动频率，如果振动源的扰动与其中一个频率一致的话，物体将能接受到振动源最大的能量，这时候物体的振动幅度最大，最容易出现断裂。军队过桥时采用便步，就是担心齐步走的频率和与桥的共振频率接近时，桥体出现断裂。

建筑物等大型结构通常特征频率在1赫兹量级（每秒振动一个周期），当地震波的频率跟建筑物的频率一致时，造成的破坏最大。建筑物越高，特征频率越低，两层楼的建筑和二十层楼的建筑特征频率可以相差10倍（手机上一个叫SimplePhysics的游戏就有大风吹时楼稳定性的模拟，从那里可以体会一下这方面的信息）。1985年墨西哥城的地震就有选择性地破坏了二十层左右的高楼。地表层对2赫兹以上的波动有较强地衰减作用，所以同样强度的地震，不同的振动频率对人类社会的影响也是不一样的。85年的墨西哥城正好遇上了一次特征频率在2赫兹附近的强地震。之前地震波的横波和纵波的区分方式指的是体波，意思是波在固体（地球）中传播，此外，地震波还有体波和表面波的区分，这里的表面指的就是地表。表面波因为频率较低，通常小于1Hz，对人类社会影响更大。人类通常发声在85到255赫兹，所以再多的人一起冲一个建筑物大喊“XXX万岁万岁万万岁”都是安全的。插句题外话，地球并不完全是固体，历史上人们确认地心有液体的方式就是通过观察横波的消失，因为横波只出现在固体中。

人类身体的一些共振频率在10赫兹量级，如果人体持续接收到这个频率范围的振动，接受者是有危险的，此范围的胸腹处的器官振动将引起人的高度不适，同时，脑部一些特征波动也在10赫兹量级。次声波武器对人体伤害的基本原理就在这里。脱离强度谈影响是没有意义的，即使是频率对了的次声波武器，对人体的伤害也跟次声波强度有关。声波的强度，假如是人能探测到的范围，就是声音有多响。

共振要求机械波与物质有接近的频率，电磁波跟机械波一样，与物质的相互作用也有一些特定条件，有时候用波长表示，有时候用频率表示，有时候用能量表示。波长和频率对于电磁波是一回事，如果我们还记得真空中电磁波的波速是个常数的话。能量和频率也是一回事，这是量子力学的一些常识。

波与物质相互作用的强弱与波长有关的一个例子是无线电波。如果您的年级比较大，可能会用过放卡带的机子，一些好的产品上还可以接收FM和AM的无线信号。当收听电台时，广播里面可能说，“这是XXX，FM XXX赫兹”。合肥音乐台是FM96.1*106赫兹，对应的波长是大约3米，当天线与波长成一定对应关系时，比如二分之一，四分之一，我们能接收到最清晰的信号。AM型的电波波长在300米的量级，它用不同于FM的方式接收信号。　

（图片来源：google搜索）

假如无线电波这样的电磁波会轻易与其他物质产生相互作用，那么广播这种传播方式将很难实现了。波的传递本质上是能量的传递，当我们的广播接收器收到信号，就意味着空间中的电磁波缺失了一部分能量，如果空气中的电磁波能随便将能量传递出去，那么广播站为了将信号传递到足够远的距离，将需要更大的功率，那么，无线广播的成本也就增加了许多。

手机、Wi-Fi的频率在2*109赫兹附近，对应的波长约15厘米。就跟我们拿一根3米长的香肠不会接收到FM型的无线电波一样，人体几何尺寸与手机信号波长相近并不是手机信号会影响人体的充分条件。对人体产生危害的次声波的波长远远大于米的量级。

X射线是电磁波的一种，而大家都明白X射线大量照射对人体是有害的，那么，从X射线到手机和Wi-Fi，区别是什么呢，区别就是X射线是一种电离辐射。所谓的电离辐射，指的是电磁波有足够的能量将原子或者分子中的电子释放出来。电子离开后的正离子能损害DNA。DNA被损坏后，大部分情况下细胞能自我修复，但是修复过程中可能发生错误，大量的损害将直接杀死细胞。修复过程中的错误就可能引起癌症。顺便说一句，女性一生得有危险的癌症的概率是～40%而男性是～45%，所以癌症并没有那么可怕，想当然地觉得男性比女性优越有时候也是可笑的。这里的能量并不是波的总能量，而是由电磁波波长所决定的能量；波长越短，能量越大。当电磁波的波长足够短时，电磁波的粒子性就渐渐体现出来，无线电波更多体现了波动性质，光被称为波粒二象性，而X射线性质更接近于粒子。单个粒子的能量，由其频率决定。举个例子，许多雨点积累起来的总能量可以跟一粒子弹一样大，但是在雨中几个小时皮肤都不会被雨水击穿。所以手机信号总能量再大，也不一定比少量X射线对人体伤害大。

X射线的波长在纳米级别，108倍小于手机的波长。介于这两者中间的是可见光，波长在几百纳米量级，我想，没有多少人会恐惧可见光吧？值得一提的是，太阳光还有部分紫外线，有些紫外线的波长短到足以电离电子，过多的暴晒在太阳光下并不是一件好事情。作为一个普通人，关于电离辐射的危害，可以记住这么几个数值：假如100单位的电离辐射引起了血细胞的浓度变化（姑且将之理解为危险的开始），那么一次胸部CT是6.6，一次24小时的高空飞行是0.2，一次X射线胸透是0.02，地面上人一整天接收到平均值是0.01。

微波炉的波长比手机信号更长，能加热水和肉，为什么我们不恐惧空间中的微波呢？微波炉加热物体的能量来自电磁波的总能量，而不是电磁波波长所决定的能量。这时候我们担心的是“大雨”的总雨量，而不是单个“雨点”对人体的伤害。空间中如果有微波炉产生的微波，对水和肉的作用也无非是加热，让生物体的温度上升一点点。地球上有大量的水气和水域，大气中能加热人体的微波（如果天上有个大微波炉）大部分将被这些水气和水域吸收。

总之，就波本身，它与物质的相互作用是有条件的。想当然地认为电磁波一定对人体有影响在理论上不是必然的，目前也没有科学界公认的实验证据。手机信号和Wi-Fi信号，跟可见光和无线电波没有本质区别。在最了解这个领域的相关科学家群体中，您知道有谁因此而拒绝使用手机的吗？