你听到的螺壳里的声音真的是大海的声音吗?

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这种声音是怎么出现的呢?似乎没有东西发出任何声音,那我们听到的是什么?

我小时候第一次到海边,第一次比拳头还大的螺壳,就做了每个人都做过的事情:把螺壳拿到耳边听一听。我听到了一些声音,仿佛来自很远的地方,而有些人似乎把它叫做大海的声音。当然,要听这种声音,不一定要螺壳,拿个空的水杯也行,甚至就用手罩住耳朵也可以。但是似乎在海边听到的,更加清晰,更像大海。

这种声音是怎么出现的呢?似乎没有东西发出任何声音,那我们听到的是什么?



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我们可以做几个小实验观察一下。


首先,我们注意到,无论是螺壳还是水杯,都没有办法完全罩住耳朵,耳朵和容器之间总有缝隙,其中的空间总与外界相连。如果想办法将这些缝隙堵死,你会发现声音好像消失了,或者至少是变小了很多。这就说明,这个声音跟外界有关系,很有可能就是来自外界。


然后,为了验证这一点,我们可以做一个小小的对比试验:在房间里开一下风扇或者空调,调到噪音比较大的模式,然后听一下水杯;再把风扇或者空调关掉,再听一下水杯;最后躲进被窝再听一下。你会发现,似乎外部噪音比较大的时候,水杯中听到的声音也比较大;如果没什么噪音的话,听到的声音也比较小。因为其他条件都是一样的,所以这说明,水杯中的声音应该来自外部的噪音,但跟水杯和耳朵缝隙之间的空气流动没什么关系。


最后,我们听声音的时候,会发现听到的声音似乎跟容器的形状有关。可以用不同的水杯或者容器来对比,而更方便的方法就是用手虚握拳罩在耳边,然后用另一只手将虚握的拳头另一端的开口覆盖又打开,你会发现声音,尤其是音调明显发生了变化。


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如果要考虑音调的变化的话,我们已知最熟悉的例子就是各种吹奏乐器。吹奏乐器之所以能发出声音,是因为其中的空气形成了共振腔,会将簧片或者吹嘴的声音修饰为能引起内部空气和乐器本身共振的声音。如果参照这个原理的话,水杯的声音也就很好解释了:水杯和耳朵之间形成了一个共振腔,其中的空气通过共振可以集中某些频率的声音,而外部的噪音就是“吹奏”这个共振腔的“演奏者”。


这就可以解释之前我们观察到的现象了:如果将缝隙堵上,外部噪音的空气振动无法传到内部,当然也不会听到声音;如果外部就没有什么噪音的话,没有人“吹奏”,自然也没有声音;我们能听到的声音,取决于能使共振腔中的空气产生共振的频率,所以改变共振腔的形状,声音也会随之改变。


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可以说,“大海的声音”,实际上就是外部窸窸窣窣的细微声音的振动,通过缝隙传到耳朵和螺壳之间的共振腔中,被空气的共振所集中,然后被我们听到而已。之所以我们会留意这种声音,是因为共振腔只会集中某些频率的声音,所以我们听到的声音有特定的音高和音色,就像乐器一样,而跟外面杂乱的噪音不一样。而之所以在海边听到的“大海的声音”更加清晰令人印象深刻,是因为海边不停有高低起伏的海浪声,也给我们听到的“大海的声音”赋予了一种特别的节奏。


也许令人意想不到的是,类似的想法也可以用来形象地解释量子力学中的一种神秘现象:卡西米尔效应。人们发现,如果在真空中将两块不带电的金属板平行放置,当它们贴得很近的时候,两者之间会产生一种神秘的力量,尝试将它们拖到一起。跟“大海的声音”一样,人们一开始不知道这个力的来源,因为似乎没有任何施力物体。但后来人们发现,通过量子力学可以解释这个现象。


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在量子场论的眼光中,真空并不空,而是充满了无法探测的电磁振动。这些振动有着不同的“声调”,而能够传到两块金属板之间的,就只有一部分“声调”的电磁振动。这种选择性就是卡西米尔效应的来源。当然,这里的解释非常粗浅,只是一种直觉上的解释,要完全正确的解释卡西米尔效应,还是要去认真学习相应的物理理论和公式。


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