一句話的解釋是: 因為光在空氣中傳播的速度要遠大於聲音 。但我打算對此再做一做細致的拆分,直到我認為不可分為止,所以下面的話會稍顯冗雜和松散。
認識:第一階段
打雷是一種自然的放電過程,是空中帶電雲層靜電釋放的反應。我們看到的閃電是這個反應產生的電火花,那裏有著很高的溫度。放電的過程很快,大部份在一秒以內完成,電火花所在位置的空氣會被以極快的速度加熱,因而產生巨大的體積膨脹。這種快速的體積變化可以類比為爆炸,後者同樣是由於極速的體積膨脹 [1] 產生爆轟波,巨大的聲響由此產生。
由此可見,閃電和雷聲雖然在產生上有著先後順序,但依然幾乎發生於同一時刻。之所以我們會先看到閃電而後聽見雷聲,是由於光在空氣中的傳播速度遠遠大於聲速。這個兩個數值相差十分懸殊,大概是一百萬倍;也就是說,從打雷發生的位置到人所處的位置的這段距離裏,閃電只需要一百萬分之一的時間就能夠完成傳播。
有時候人們在很遠的地方喊你 [2] ,你會遠遠地看見他張開嘴,然後過了一小段時間才聽見聲音 [3] ,也是一樣的道理。
每三秒一千米,有時候我會在路上突然遭遇雷雨的時候用這個標準來估算放電中心和我之間的距離。如果在打雷之後緊接著就是閃電,那就說明我距離放電中心已經很近了,這時候一定要遠離危險的地方,進入室內,不要站在平坦開闊的地方,也不要站在樹下。
由於聲音傳播的速度慢到可以被感知到,因而在需要格外考量時間的精確性的情況下,總是需要想辦法消除這個影響。比方說在運動場上,裁判員宣告賽跑開始所使用的發令槍,要求必須在擊發的時候產生大量的白煙,為的是讓在終點處負責計時的工作人員以看到白煙為開始的標準,而不是聽到聲音。別忘了,哪怕是100公尺的短跑比賽,聲音從起點到終點也需要大約三分之一秒的時間。
認識:第二階段
知覺
人的感覺來自於對 資訊 的接受。閃電和聲音的資訊本質是光訊號和電訊號,物理本質是電磁波和機械波。感受來自於對 現象 的處理,並將其內化。
作為現象的事件產生了作為影響的資訊,不同的資訊有著不同的物理本質,不同的生物會借助自身的感受性器官針對性地接受其能力範圍內能夠接受的資訊。對於人類,360 nm - 760 nm 波段的電磁波和 20 Hz - 20 000 Hz 的機械波可以分別被視覺和聽覺系統接受。這樣的接受包含幾乎全部的資訊,但將資訊轉化為知識則需要更進一步的理性處理,因此不同的人會由於不同的理效能力,對相同的資訊進行不同程度的解讀。內化的產物可以在物理上被稱為 資訊 或者在哲學上被稱為 知識 ,感受的能力可以在日常語言中稱為 知覺 或者在哲學上成為 感性 ,將現象內化成為知識的能力在哲學上被稱為 知性 。
生物在前進演化過程中直至現在所擁有的知覺能力和程度取決於其前進演化歷史全程的篩選,對於有利於生存的資訊,具有更強感受能力的個體將具有更強的生存優勢,因此在逐代篩選中被保留。具有較弱生存優勢的個體更傾向於在優勝劣汰的自然法則中離場。比如鼴鼠常年生存在地下,視覺能力對它們並不如我們重要,因此在前進演化歷程中盡管視覺退化的個體也不會被強有力的篩選,這也是為什麽現在保留下來的鼴鼠品種不具備視覺。 用進廢退的說法是錯的 。
光譜,顏色
人類的前進演化歷史決定了現代人類的感官,人類可以感知在整個光譜帶中被稱為可見光的電磁波。光譜帶是電磁波的波長的排序,從長到短可以大致分為無線電、微波、紅外、可見光、紫外光、X射線、Gamma射線,和諸如高速電子射線的具有波粒二象性的物質波束。可見光是在光譜帶中的一個具有寬度的波段,依然包含大量不同的波長數值 [4] 。人眼對處在可見光波段範圍內但分屬不同波長的電磁波的感知表現為顏色。也就是說顏色是一種由於人類感知才產生、而非天然存在的概念,這同時也就是亞里斯多德口中所謂的 第二內容 概念。
電磁波的本質是交替互變的電場和磁場。物質分為實體和場,場是一種平行於實體、在適宜條件下可以獨立存在的物質,並不依存於實體。電磁波的傳播因此不需要作為媒介/介質的實體——事實恰恰相反,實體的存在會阻礙電磁波的傳播。光因而在真空中具有最大的傳播速度,而在透過實體時會根據實體物質的一種被稱為折光率的內在內容成比例地減速。不同波長的光是否能夠透過實體需要具體討論,對於可見光,能夠允授權見光穿過的實體表現為透明的,因此我們也稱允許其他波段的電磁波透過的實體物質相當於這個波段是透明的。比如在醫院我們能夠透過X射線裝置透過皮膚看到骨骼,此時我們就會說,皮膚相對於X射線是透明的。
光速
光在真空中的傳播速度是宇宙中資訊的最大速度,並且這個速度數值是保持不變的,只由(如果我們可以這麽說)所在的宇宙的內部內容——精細宇宙常數,或者度規——決定。精細宇宙常數在數值上約等於137的倒數,而很有意思的一點是(如果你能get到), 137是一個質數 。由於廣義相對論,真空光速是一個具有極為優先地標定力量的物理常數,其速度為 299 792 458 m/s 。和其他國際基本單位不同,光速是一個精確值,因為米的定義本身就是基於光速和國際時間標準,任何對光速更精確的測定,都不會改變光速的精確值,相反地,將會使得人們對一米和一秒的定義更為精確。
聲音,都卜勒效應,醫學超聲檢查
人耳能夠感知到物理本質為機械波、也就是機械振動的聲音。機械振動是實體物質的震動,因而機械波的傳遞須要依靠實體作為媒介。在實體內部,震動的傳遞如同水面漣漪的擴大。人耳對不同頻率的機械波的區分體現在與感覺上的音高。頻率更高的機械波聽起來(如果聽得見)更加高亢或尖銳 [5] 。和光不同的一點在於,聲音會受到介質或者發聲物體自身的運動所影響,因此我們有時候會聽到一輛呼嘯而過的救護車在接近和遠離你的時候,其警笛的音高不同。這種現象被人們稱為都卜勒效應,都卜勒是一位奧地利物理學家,他與1842年發現了這個現象。
根據都卜勒效應,當我們發出一列已知頻率的機械波,如果前方的物體和我們沒有相對運動,那麽反射回來的機械波將不會產生頻率變化。反之,如果物體與我們有在機械波傳播方向上的相對運動,亦即包含接近或遠離我們的速度分量,我們將觀察到反射回來的機械波的頻率發生相應的變化。依據這樣的原理,人們研發出了醫學超聲檢查、也就是被俗稱為B超的技術,借由反射波長的變化,人們能夠透過表皮觀察組織內部的情況。
真空光速不變性
光在波長方面與聲音不同:光的速度不會由於反射物體或觀察相對速度發生變化。這麽說吧,如果你在平地上射出一道光,這道光具有相應的速度。如果你在平地上觀察一輛疾馳而過的車輛,而車輛上有人向前方射出一道光,你看到的光速將依然是它原本的速度,而不是與車輛速度的加和。這在直覺是十分難以接受,但對於人們對時空的認識據有著十分重要的意義。
抖機靈
為什麽人會先看見閃電後聽到雷聲,當然是因為眼睛在耳朵前面啊。
參考
- ^ 確切地說是高密度和高速率的能量釋放。
- ^ 在現在的城市生活中,這樣的機會越來越少了。
- ^ 大概是三分之一秒鐘每100公尺。
- ^ 根據量子力學理論,光譜帶對可能波長的排布是稠密但離散的。
- ^ 具體應該描述為高亢或是尖銳取決於該聲源的音色,而音色取決於以某頻率為主音的機械波的泛音列。