一句话的解释是: 因为光在空气中传播的速度要远大于声音 。但我打算对此再做一做细致的拆分,直到我认为不可分为止,所以下面的话会稍显冗杂和松散。
认识:第一阶段
打雷是一种自然的放电过程,是空中带电云层静电释放的反应。我们看到的闪电是这个反应产生的电火花,那里有着很高的温度。放电的过程很快,大部分在一秒以内完成,电火花所在位置的空气会被以极快的速度加热,因而产生巨大的体积膨胀。这种快速的体积变化可以类比为爆炸,后者同样是由于极速的体积膨胀 [1] 产生爆轰波,巨大的声响由此产生。
由此可见,闪电和雷声虽然在产生上有着先后顺序,但依然几乎发生于同一时刻。之所以我们会先看到闪电而后听见雷声,是由于光在空气中的传播速度远远大于声速。这个两个数值相差十分悬殊,大概是一百万倍;也就是说,从打雷发生的位置到人所处的位置的这段距离里,闪电只需要一百万分之一的时间就能够完成传播。
有时候人们在很远的地方喊你 [2] ,你会远远地看见他张开嘴,然后过了一小段时间才听见声音 [3] ,也是一样的道理。
每三秒一千米,有时候我会在路上突然遭遇雷雨的时候用这个标准来估算放电中心和我之间的距离。如果在打雷之后紧接着就是闪电,那就说明我距离放电中心已经很近了,这时候一定要远离危险的地方,进入室内,不要站在平坦开阔的地方,也不要站在树下。
由于声音传播的速度慢到可以被感知到,因而在需要格外考量时间的精确性的情况下,总是需要想办法消除这个影响。比方说在运动场上,裁判员宣告赛跑开始所使用的发令枪,要求必须在击发的时候产生大量的白烟,为的是让在终点处负责计时的工作人员以看到白烟为开始的标准,而不是听到声音。别忘了,哪怕是100米的短跑比赛,声音从起点到终点也需要大约三分之一秒的时间。
认识:第二阶段
知觉
人的感觉来自于对 信息 的接受。闪电和声音的信息本质是光信号和电信号,物理本质是电磁波和机械波。感受来自于对 现象 的处理,并将其内化。
作为现象的事件产生了作为影响的信息,不同的信息有着不同的物理本质,不同的生物会借助自身的感受性器官针对性地接受其能力范围内能够接受的信息。对于人类,360 nm - 760 nm 波段的电磁波和 20 Hz - 20 000 Hz 的机械波可以分别被视觉和听觉系统接受。这样的接受包含几乎全部的信息,但将信息转化为知识则需要更进一步的理性处理,因此不同的人会由于不同的理性能力,对相同的信息进行不同程度的解读。内化的产物可以在物理上被称为 信息 或者在哲学上被称为 知识 ,感受的能力可以在日常语言中称为 知觉 或者在哲学上成为 感性 ,将现象内化成为知识的能力在哲学上被称为 知性 。
生物在进化过程中直至现在所拥有的知觉能力和程度取决于其进化历史全程的筛选,对于有利于生存的信息,具有更强感受能力的个体将具有更强的生存优势,因此在逐代筛选中被保留。具有较弱生存优势的个体更倾向于在优胜劣汰的自然法则中离场。比如鼹鼠常年生存在地下,视觉能力对它们并不如我们重要,因此在进化历程中尽管视觉退化的个体也不会被强有力的筛选,这也是为什么现在保留下来的鼹鼠品种不具备视觉。 用进废退的说法是错的 。
光谱,颜色
人类的进化历史决定了现代人类的感官,人类可以感知在整个光谱带中被称为可见光的电磁波。光谱带是电磁波的波长的排序,从长到短可以大致分为无线电、微波、红外、可见光、紫外光、X射线、伽马射线,和诸如高速电子射线的具有波粒二象性的物质波束。可见光是在光谱带中的一个具有宽度的波段,依然包含大量不同的波长数值 [4] 。人眼对处在可见光波段范围内但分属不同波长的电磁波的感知表现为颜色。也就是说颜色是一种由于人类感知才产生、而非天然存在的概念,这同时也就是亚里士多德口中所谓的 第二属性 概念。
电磁波的本质是交替互变的电场和磁场。物质分为实体和场,场是一种平行于实体、在适宜条件下可以独立存在的物质,并不依存于实体。电磁波的传播因此不需要作为媒介/介质的实体——事实恰恰相反,实体的存在会阻碍电磁波的传播。光因而在真空中具有最大的传播速度,而在通过实体时会根据实体物质的一种被称为折光率的内在属性成比例地减速。不同波长的光是否能够通过实体需要具体讨论,对于可见光,能够允许可见光穿过的实体表现为透明的,因此我们也称允许其他波段的电磁波透过的实体物质相当于这个波段是透明的。比如在医院我们能够通过X射线装置透过皮肤看到骨骼,此时我们就会说,皮肤相对于X射线是透明的。
光速
光在真空中的传播速度是宇宙中信息的最大速度,并且这个速度数值是保持不变的,只由(如果我们可以这么说)所在的宇宙的内部属性——精细宇宙常数,或者度规——决定。精细宇宙常数在数值上约等于137的倒数,而很有意思的一点是(如果你能get到), 137是一个素数 。由于广义相对论,真空光速是一个具有极为优先地标定力量的物理常数,其速度为 299 792 458 m/s 。和其他国际基本单位不同,光速是一个精确值,因为米的定义本身就是基于光速和国际时间标准,任何对光速更精确的测定,都不会改变光速的精确值,相反地,将会使得人们对一米和一秒的定义更为精确。
声音,多普勒效应,医学超声检查
人耳能够感知到物理本质为机械波、也就是机械振动的声音。机械振动是实体物质的震动,因而机械波的传递须要依靠实体作为媒介。在实体内部,震动的传递如同水面涟漪的扩大。人耳对不同频率的机械波的区分体现在与感觉上的音高。频率更高的机械波听起来(如果听得见)更加高亢或尖锐 [5] 。和光不同的一点在于,声音会受到介质或者发声物体自身的运动所影响,因此我们有时候会听到一辆呼啸而过的救护车在接近和远离你的时候,其警笛的音高不同。这种现象被人们称为多普勒效应,多普勒是一位奥地利物理学家,他与1842年发现了这个现象。
根据多普勒效应,当我们发出一列已知频率的机械波,如果前方的物体和我们没有相对运动,那么反射回来的机械波将不会产生频率变化。反之,如果物体与我们有在机械波传播方向上的相对运动,亦即包含接近或远离我们的速度分量,我们将观察到反射回来的机械波的频率发生相应的变化。依据这样的原理,人们研发出了医学超声检查、也就是被俗称为B超的技术,借由反射波长的变化,人们能够透过表皮观察组织内部的情况。
真空光速不变性
光在波长方面与声音不同:光的速度不会由于反射物体或观察相对速度发生变化。这么说吧,如果你在平地上射出一道光,这道光具有相应的速度。如果你在平地上观察一辆疾驰而过的车辆,而车辆上有人向前方射出一道光,你看到的光速将依然是它原本的速度,而不是与车辆速度的加和。这在直觉是十分难以接受,但对于人们对时空的认识据有着十分重要的意义。
抖机灵
为什么人会先看见闪电后听到雷声,当然是因为眼睛在耳朵前面啊。
参考
- ^ 确切地说是高密度和高速率的能量释放。
- ^ 在现在的城市生活中,这样的机会越来越少了。
- ^ 大概是三分之一秒钟每100米。
- ^ 根据量子力学理论,光谱带对可能波长的排布是稠密但离散的。
- ^ 具体应该描述为高亢或是尖锐取决于该声源的音色,而音色取决于以某频率为主音的机械波的泛音列。