55、无处不在的共振（1/1）

科学的逻辑55、无处不在的共振：准备有声小说在线收听

自然界中存在大量的被称之为共振的现象，每个物理系统都存在一系列固有的频率，当外界的扰动频率与系统固有频率接近时，就会产生强烈的共振现象。通过对简谐振子受迫振动的简单物理模型的认识，就可以大致理解共振，当受迫振动频率与振子固有频率相差很大时，振幅很小，而当两者的频率接近时，振幅显著增大。由于现实中大量的物体在很小的位移状况下都遵从胡克定律，使得共振现象在我们周围大量出现。

我们的听觉系统就是一个共振系统，当外界声音的频率与鼓膜固有频率相当，从而产生共振时，听觉神经会收到较强的信号，从而让我们听到声音。音乐会上形状各异的乐器也是通过共振增大某个频率声音的响度的，乐器不同的形状与结构决定了它的固有频率，从而发出固定音调的声音。而在建筑物、桥梁、大型离心泵或风机等运转设备的设计与制造中，则需要避免共振造成的危害。

有一种奇特的思路，不仅仅是听觉，包括视觉、触觉、嗅觉、味觉等所有的感觉，实际上都是外界某种频率的波动与人的感官共振的结果。例如，苯甲醛与氢氰酸闻起来都是苦杏仁气味，从传统的嗅觉锁钥模型理论无法解释，但是它们的分子具有相似的振动频率，因此，如果新理论是正确的，我们实际上是在听气味而不是闻气味。

除了传统的机械共振外，还存在许多其它形式的共振。在电磁波的接收过程中，就应用到电磁振荡的共振现象，例如在普通的收音机中，LC振荡回路存在一个固有频率，当外界电磁波频率与固有频率接近时，就会产生共振，从而放大电磁波中加载的信号，通过对可变电容的调节，可以连续的改变电路的固有频率，用于接收不同频率的电磁波。在光与原子的相互作用中，共振现象也起着重要的作用，当光的频率与原子轨道差对应的频率相当时，会产生共振吸收现象，原子中的电子会吸收该频率的光子，跃迁到高能级的轨道上，共振过程为我们提供了一幅原子吸收光子的简明图像。爱因斯坦通过对光子与原子相互作用的细致分析，发现了一个新的过程，处在原子高能级的电子如果有一个与轨道差对应的频率相当的光子经过，会跃迁到低能级，同时释放出与入射光子相同的光子，这一过程被称为受激辐射。受激辐射是共振吸收过程的逆过程，也是一种共振现象，如果介质中存在大量处在高能级的电子，形成激活介质，这种光放大过程会形成链式反应，配合光学谐振腔会输出稳定的激光，因此受激辐射过程是激光器工作的原理，通过共振，我们可以获得在科学领域应用极为广泛的激光。

光不仅可以与原子中的电子产生共振现象，也可以与原子核共振，当然，共振频率是不同的。光与原子核的共振频率处在两个极端，分别对应电磁波谱中的无线电波与γ射线。原子核具有远小于电子自旋磁矩的核磁矩，可以等效的看作一个小磁针。在磁场中，核自旋对应的能级发生分裂，如果入射电磁波的频率与能级宽度对应的频率相当，就会产生类似原子共振吸收的原子核共振吸收现象，被称为核磁共振。核磁共振技术广泛应用于分子结构的确定以及医学中的核磁共振成像，同时核磁共振以其能级宽度小从而具有较长的量子态相干时间的优点，成为构造量子计算机中量子比特的可能方案之一。原子核的能级宽度一般要比原子中电子的能级宽度大得多，因此不稳定的高能级原子核跃迁时一般会辐射高能γ射线，由对称性可知，原子核应该会有相应的γ射线共振吸收过程，但是γ射线能量太高，在与原子核碰撞时会造成原子核的运动使吸收频率发生变化，原子核辐射γ射线的过程同样会因为反冲而改变辐射频率。穆斯堡尔解决了这个问题，将原子核固定在一定的晶格结构中，让整个晶体抵消掉原子核与γ射线作用时的反冲，因此穆斯堡尔效应又叫γ射线的无反冲共振吸收效应。由于穆斯堡尔谱的宽度非常窄，很快被用于各种精密测量过程中，通过穆斯堡尔效应，人们测量出了光子离开地面20米高由于引力红移导致的频率差，再一次验证了广义相对论。

在中微子的探测领域，共振现象也帮了大忙。由于中微子极强的穿透力，传统的中微子探测器非常庞大，而且能够探测到中微子的概率也很低。而依据中微子与原子核共振散射的原理设计的便携式中微子探测器只有微波炉大小，而且顺利探测到了中微子，这项技术为实现中微子通信提供了保障。中微子以接近光速运动，可轻易穿透地球、海水等介质，没有反射和折射，保密性好，可以应用于海军潜艇等设施的通信，未来还可与月球背面的空间站实现直接的中微子通信。便携式中微子探测器的发明实现了中微子的探测和接收，使我们距离中微子通信的实现更近了一步。

在我们的日常生活中，两个爱好相近的人通常会因为一首歌曲或一篇文章表达出相似的观点而相互欣赏。物以类聚、人以群分，具有共同的兴趣爱好的人往往会具有共同语言，从而聚在一起相互交流。而不同知识结构的人们之间则经常是话不投机半句多，聊不上几句就产生对牛弹琴之感。这或许就像物理学中的共振现象，两个人拥有相似的爱好和知识结构，就会像伯牙与子期高山流水遇知音一样，心有灵犀一点通，产生一种发自内心的共鸣。在人文领域，我们或许可以借鉴自然科学中类似共振的概念发现某些特殊的规律，让我们能更容易的找到志同道合的朋友与知音。

共振就像是一种筛选机制，选择出与固有频率相近的部分并加以放大，而那些远离固有频率的部分被抑制并衰减掉。这很像测量环节中的信息提取过程，从香农信息熵公式中可知，那些越尖锐的概率分布表明系统越确定，隐含的信息越少，而共振现象就是在某个频率上出现某个尖锐的共振峰。也就是说，系统从某个不确定状态通过共振形成确定状态，其信息被提取了。因此各种测量仪器、敏感元件、传感器以及生物观察者，在测量过程中获取信息，极有可能是通过共振实现的。正是我们周围无处不在的共振现象，使我们可以侧耳倾听大自然各种不同的歌声，并让我们与大自然相生相和，在探索自然规律的过程中，发现一个个自然界中的美妙音符，使我们沉浸在音乐般的世界里。