声光形异质同

云南省宣威市第一中学校　何永双



声光形异质同

云南省宣威市第一中学校何永双

摘 要：笔者通过长时间对声、光现象的观察和思索，发现声和光紧密联系，有很多相同之处。大量资料证实声和光可以相互转化，声和电也可以相互转化。电视节目《挑战不可能》中的“声呐人”陈燕以耳观物，利用反射声音定位，精准辨物，说明声和光传递信息的功效等同。理论构造物“声子”在很多实验中具有一个量子粒子所有的属性，在实在性上其与真实粒子难以区分。声子的实在性若被公认，那么就可以说明声音也具有粒子性，即声光都具有波粒二象性。笔者大胆提出：声光实为一体——形异质同。

关键词：信息 能量 光声效应 声光效应 光电效应 声电效应

一、生活中的一些现象

打雷时，闪电和雷声会同时发生。铁匠打铁时，声音和火花同时产生。火车刹车时，车轮和轨道摩擦同时发出声音和亮光。大多情况下，我们听到物体发声却看不到物体发光，看到发光体时听不到声音。这就能否定声、光没有同时发生吗？人的听觉频率范围（20～20000Hz）有限，人感知声音响度的大小也在一定范围内。人的视觉接受光的频率范围（3.8×1014～7.9×1014Hz）也极为有限。人感知可见光的强弱也在一定范围内。人们听到、看到的不一定真实。任何物体都在不停地向外辐射红外线，振动的物体也不例外。红外线是光，人们看不到。没有绝对静止的物体，既然物体在运动，那么它的内部就在振动。振动的物体一定发声，很多声音人们感知不到。任何物体都在同时发光和发声。

二、声与光的相同之处

声音是由物体振动产生的。物体振动要通过外界注入能量，物体获得外界的能量，然后以声波的形式把能量辐射到外界。光是原子内部电子由高能级跃迁到低能级而释放出来的，电子发生能级跃迁同样需要外界能量注入。声音以波的形式向四周传播，其作用是传递信息和能量。光同样以波的形式向四周传播，其功用是传递信息和能量。光和声均为信息的载体，是能量的不同表现形式。

三、光和声可以相互转化

1. 光转化为声

思想实验：能量较强的激光照射到表面粗糙且是黑色的轻质薄金属片上，金属片弹性较好。由于光透不过去，金属片接受了强能量，必然引起内部分子、原子的激烈运动。分子原子的强烈振动，带动轻质薄金属片整体振动，这样金属片必然发出声音。这就说明光可以转化为声音。

A.G.Bell于1880年发现光声效应。光声效应指光照射某种媒质时，媒质对光的吸收会使其内部的温度改变，从而引起媒质内某些区域结构和体积的变化。当采用脉冲光源或调制光源时，媒质温度的升降会引起媒质的体积涨缩，媒质向外辐射声波，即光生声。光声效应应用于检测物质的组成和特性，还应用在光声谱技术、光声显微镜技术等。

西安理工大学的张海英、郭人通等发明了一种将五线谱图像转换为声音文件的方法。该方法将图像转换为声音，即光转化为声。

2. 声转化为光

思想实验：强烈振动的自动机械装置放到大玻璃罩内，实验者将玻璃罩内的空气抽出，机械振动发出声音，但是由于没有介质传播，声音无法传出。由能量守恒可知声音携带的能量不可能消失，只能以红外线的形式把能量热辐射出来。这样声音会转化为光。

超声波通过介质时会造成介质的局部压缩和伸长，产生弹性应变。该应变随时间和空间做周期性变化，使介质出现疏密相间现象，如同一个相位的光栅。当光通过这一受到超声波扰动的介质时就会发生衍射现象，这种现象被称为声光效应。

例如，轮船上的声呐系统利用超声波绘制海底图样，医院用的彩超仪器利用超声波探测病人身体内部情况。这些其实都是将声音信号转化为图像信号，即声转化为光。

四、声光联系紧密的种种现象

1.人如何通过光和声传递的信息形成知觉

人感知声音的基本过程为：外界传来声音引起鼓膜振动，振动经过听小骨及其他组织传给听觉神经，听觉神经再把信号传给大脑，大脑分析处理后，形成知觉。

人视觉感知的基本过程为：可见光照射到物体，光被物体反射，进入人的眼睛，眼睛通过接收及聚合光线得到物体的影像，然后视觉神经把接收到的信息传到脑部进行分析，形成知觉。以此，人们可辨认物象的外貌和所处空间及该物在外形和空间上的改变。从视觉本质分析，人们感知物体，物体的粒子和我们的视觉神经未发生作用，而是光子先和物体作用，然后和人的视觉神经发生作用，大脑才感知到物体。因此，人们直接观看物体与人们在相片、视频上观看物体没有本质区别。听觉的实现或许是某种粒子（暂且叫“声子”）先和物体作用，然后再和听觉神经作用，大脑才感知到物体。

2. “声呐人”陈燕

中央电视台电视节目《挑战不可能》中的选手陈燕是一名盲人。节目中，选手对着物体或人，用拍手、学鸟叫、学狼嚎等行为，通过反射波用耳朵辨别物体。选手成功在20多个对象中辨别出真人与塑料模特、大人与孩子。她以耳观物，利用反射声音定位，精准辨物。她用听觉功能代替视觉功能，这表明声和光传递信息的功效等同。

3. 声、光与电的关联

（1）光电效应

光电效应指在高于某特定频率的光照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来，形成电流。

（2）声电效应

思想实验：当高于极限频率的光照射在金属表面时，会有电子从金属表面逸出。声音也具有能量，频率不同的声音不计其数，声音中高于极限频率的声波作用在某物质时，物质内部的电子获得能量会逸出该物质表面。声电效应是通过半导体传播的声波作用，产生的电动势现象。声波（纵波）在半导体中传播时，会产生额外的周期性势场波（波的周期与声波相同）。在原子半导体中，声波将产生畸变势周期性势场（波幅较小）。在压电半导体中，声波将产生压电周期性电势场（波幅很大）。如果这时有电子通过，电子的平均自由程比声波的波长小时，则电子将会不断遭受声子的散射而损失能量，电子被声波产生的周期性电势场的波谷俘获。同时，声波传播时，电子即被声波势场牵引，向前运动，会产生电动势，即声生电。

五、光具有波粒二象性，声音同样具有波粒二象性

光的衍射、干涉实验证明光具有波动性，光电效应证明光是由不连续的光子组成，光具有粒子性。声音同样能发生衍射和干涉说明它也具有波动性。声子是指晶格振动的简正模能量量子，物理学家在最初引入声子概念时，认为声子仅仅是一种理论构造物，只是对固体中原子的集体运动状况的描述。至今，大多数人也认为声子是一种非真实的准粒子。但在特定的超声实验中，物理学家通过利用两个狭窄的超声束在相互作用中产生第三个声子束，利用声子对中子的非弹性散射，确定了声子的色散关系。例如，在铁磁体中的一个声子可以衰变成为一对磁振子，一个声子可以衰变为一对不同类型的声子，一个电子可以吸收或发射一个声子。这些现象证明声子具有量子粒子所有的属性，声子与真实粒子在实在性上难以区分。声子的实在性一旦被肯定，那么就说明声音具有粒子性。

六、结论

声光同时发生的现象、光声效应、光电效应、声电效应、声光的波粒二象性、声电与光电间的紧密关系等，能够说明声和光存在的共性较多。笔者大胆猜想声和光的本质相同，它们均以能量的方式存在，均为信息载体，只是表现形式不同。

参考文献：

［1］光声效应.百度百科［EB/OL］.http://baike.baidu.com/link？url= OwxwFYpj68h929BL0CPQ8SZGh56vjZuxjSqJC40a6bJwlx3eq qcwMZxpD4-KLMnfu6hKWvMqN_xpn3KWKmxexa

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

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

文章编号：ISSN2095-6711/Z01-2016-05-0256