第六章 用波了解我們的世界

第六章 用波了解我們的世界

     墨默想了解世界，但是在眼睛和耳朵之外還有很多信息我們無法知道。這些信息隱蔽在各種各樣的波當中。科學家通過發現各種儀器能將波內的信息轉變化數字、圖像、文字和聲音，我們通過眼睛和耳朵來認識世界發生的事情，了解世界的寬廣。

第一節  光的儀器

    可見光是一種電磁波，其範圍波長約為4000～7000埃，我們的眼睛直接通過光獲取信息，但是由於眼睛能力有限，還有許多信息無法看到，需要通過儀器獲得信息。我們再次學習初中物理。

 一、望遠鏡

    普通望遠鏡（圖）和折射表達式天望遠鏡（圖）主要也是由物鏡和目鏡兩組透鏡組成的，通過目鏡觀察到物體的虛像，好像物體被移近了，從而使我們看清遠處的物體，拓寬了觀察的視野。

  

 

     400多年前，伽利略首次將望遠鏡指向天空，看到了月球上的環形山和木星的衛星，發現了太陽的黑子。以後，隨著望遠鏡技術的不斷改進，人們發現了一個又一個新的天體，使得天文學的研究領域不斷擴大，人們的視野正在一步步地向宇宙深處拓展。

     我們通過望遠鏡了解宇宙太空。

    望遠鏡是觀測天體的重要手段，可以毫不誇大地說，沒有望遠鏡的誕生和發展，就沒有現代天文學。

    從第一架光學望遠鏡到射電望遠鏡誕生的三百多年中，光學望遠鏡一直是天文觀測最重要的工具。其中哈勃太空望遠鏡是有史以來製造的最為強大同時也最為多產的科學儀器之一。

     1.通過觀測遙遠爆炸恒星發出的光線，“哈勃”發現了暗能量。一個處於加速狀態的宇宙。

　　2. 測定宇宙年齡應該在137.5億年左右。

測量不斷膨脹的宇宙

　　3.發現星係處於不斷成長狀態。

　　4.發現了18萬顆恒星以及16個繞各類恒星軌道運轉的潛在外星球。

　　5.揭開了“暗物質“的神秘麵紗。

　　二、顯微鏡

    顯微鏡是由一個透鏡或幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器，是人類進入原子時代的標誌。主要用於放大微小物體成為人的肉眼所能看到的儀器。顯微鏡分光學顯微鏡和電子顯微鏡：光學顯微鏡是在1590年由荷蘭的詹森父子所首創。現在的光學顯微鏡可把物體放大1600倍，分辨的最小極限達0.11微米。

     顯微鏡把一個全新的世界展現在人類的視野裏，人們第一次看到了數以百計的“新的”微小動物和植物，以及從人體到植物纖維等各種東西的內部構造。顯微鏡還有助於科學家發現新物種，有助於醫生治療疾病。

    顯微鏡結構

    光學顯微鏡由目鏡，物鏡，粗準焦螺旋，細準焦螺旋，壓片夾，通光孔，遮光器，轉換器，反光鏡，載物台，鏡臂，鏡筒，鏡座，聚光器，光闌組成。

顯微鏡（圖）主要由物鏡和目鏡兩組凸透鏡組成。通過物鏡和目鏡可形成物體的放大的虛像，從而使我們能觀察到肉眼無法看到細微物體或物體的精細結構（圖）

   光學顯微鏡的發明，使人們觀察到了微生物，發現了細胞，引發了醫學和生物學的劃時代革命。

    第二節    傳感器

    傳感器是檢測信息的工具，許多信息傳遞都需要傳感器來轉換信息，它是我們獲取信息的重要工具，初中物理是這樣說的。

    傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，並能將檢測感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和檢測等要求，傳感器一般由敏感元件，轉換元件和轉換電器三部分組成。

   1、 被測量     2、敏感元件  3、轉換元件  4、轉換電路 5、電學量                     

    敏感元件：相當於人的感覺器官，直接感受被測量並將其變換成與被測量成一定關係的易於測量的物理量，如溫度、位移等。

    轉換元件：也稱為傳感元件，通常不直接感受被測量，而是將敏感元件輸出的物理量轉換成電學量輸出。

    轉換電路：將轉換元件輸出的電學量轉換成易於測量的電學量，如電壓、電流、頻率等。

     常用傳感器是利用某些物理、化學或生物學效應進行工作的。

     一般來說，用於完成視覺、聽覺、觸覺功能的傳感器，其接受的是光、聲波、壓力等物理信息，稱為物理傳感器，而代替嗅覺、味覺功能的傳感器，則稱為化學傳感器或生物傳感器。

     目前常用的傳感器有溫度傳感器、紅外線傳感器、生物傳感器等。

各種各樣的傳感器

 

 

第三節    電磁波

     光波是一種電磁波，其它的電磁波都蘊含著信息。

     一、無線電波 (Radio)

     無線電波是一種電磁波，在電磁波譜中，其範圍波長為15公分～2公裏的電磁波。無線電波常被用於長距離的通訊，如電視機、收音機等頻道都是運用到無線電波，它有不易被阻擋、折射、變頻等特性。現今也用無線電波來探索宇宙遙遠處的奧秘。

      二、 微波 (Microwave)

      微波是一種電磁波，在電磁波譜中，其範圍波長為0.1～15公分的電磁波。微波常被用於短距離的通訊或遙控，如電視機、冷氣機、音響等遙控器都是運用到微波的原理。現今也已應用2450MHz的頻率於廚房中的烹煮食物。

     三、 紅外光 (Infrared)

     紅外光是M. Herschel於1800年所發現的。紅外光有著顯著的熱效應，可用溫差電偶、光敏電阻或光電管等儀器探測。按波長略可分成0.75～3微米(1微米=10-4公分)的近紅外區、3～30微米的中紅外區和30～1000微米的遠紅外區等三段。應用紅外光譜，在研究分子結構、固態物質的光學性質、夜視環境等，用途極大。

     四、紫外光 (Ultraviolet)

    這一範圍開始於可見光的短波極限，而與長波X射線的波長相重迭。紫外光是J. W. Ritter於1801年所發現的。應用上，在測定氣體或液體中如氯、二氧化硫、二氧化氮、二硫化炭、臭氧、汞等特定分子，以及各種未飽和化合物的成分的紫外光吸收光譜，用途很大。

      五、 X射線 (X-ray)

     X射線是一種穿透力很強的電磁波， X射線是倫琴 (W. Rongen)於1895年所發現的，所以X射線又被稱為「倫琴」射線。X射線通常是由高速電子與固體碰撞而產生的，或是強光照射下所產生的“熒光效應“也會有少量的X射線呈現。因為它的強穿透力較不會損傷周遭組成物質，所以可用來作非破壞性物品等材料檢驗，以及動物的身體內部骨骼等醫學檢查。

     六、 伽瑪射線 (γ-ray)

     γ射線的特征和X射線極為相似，是一種輻射能量高且穿透力極強的電磁波，γ射線是維拉德 (P. Villard) 於1900年所證實的。γ射線通常是由極高速電子與原子核碰撞而產生。這種超強激光射線有諸多用途包括醫學成像，放射性療法，以及正電子放射斷層造影術（PET）掃描。同時這種射線源還可以被用來監視密封存放的核廢料是否安全。另外，由於這種激光脈衝極短，持續時間僅1千萬億分之一秒，快到足以捕獲原子核堆激發的反應，這就使它非常適合用於實驗室中的原子核研究。

表1    電磁波的分類                                              

範圍         波長(cm)              頻率 （Hz ）              波數 （cm-1）

無線電波    >30                     <10⁹                        <0.03

微波        30 - 0.1                1 x 10⁹ - 3 x 10 ¹¹          0.03-10               

遠紅外      0.1 –5 x 10 ^-3         3 x 10¹¹–6x 10 ¹²          10-200

中紅外      6 x 10^－3 －2.5 x 10^-4   6 x 10¹² - 1.2 x 10 ¹⁴      200-4,000

近紅外      2.5 x 10^-4 -7.8 x 10^-5   1.2 x 10¹⁴ - 3.8 x 10¹⁴     4,000-12,800

光          7.8 x 10^-5–3.8 x 10^-5   3.8 x 10¹⁴ - 7.9 x 10¹⁴      12,800-26,300

近紫外線    3.8 x 10^-5–2 x 10^-5     7.9 x 10¹⁴–1.5 x 10¹⁵      26,300-50,000

遠紫外      2 x 10^-5–1 x 10^-6       1.5 x 10^-15 –3 x 10¹⁶      50,000-1x10 ⁶

x射線       10^-6  - 10^-8             3 x 10¹⁷  –3 x 10¹⁹        1x10⁶ -1x10⁸

γ射線      <10^-8                    > 3 x 10¹⁹                  >1x10⁸

 

 

           第四節  其它的波

 

    一、粒子的波

    任何粒子都有自己的特征波長，如單一原子派生的信息屬X射線範圍(1pm～10nm)，分子發出的信息屬於紫外線範圍(170～400nm)，人體細胞的波長屬微波範圍(0.1～30cm)，波還具有共振特征，即當兩個波長相同的波相遇時可發生疊加，這種共振原理同樣存在於聲波、電磁波及所有物質。當需要鑒別兩段波是否相同時，可從是否發生共振得到定性鑒別，而微弱磁場能量測定裝置就是根據這一原理開發出來的，這種裝置又被稱為量子共振檢測儀。

     二、宇宙微波

    美國加州理工學院科學家近日在宇宙微波背景中發現神秘亮點，該亮光信號的發射時間可追溯至宇宙大爆炸後的十萬年左右。首先發現宇宙微波背景輻射的兩位工程師，原是要建造無線電天線，卻因偵測到始終無法改善的雜聲，進而發現了宇宙微波背景輻射，在1965年發表相關論文，並在1967年獲得諾貝爾物理獎。由1992年至今的10多年間，全世界有超過10個以上的觀測實驗，成功偵測到宇宙137億年前的麵貌。最近較為重大的發現，為美國航太總署的威金森微波異向性探測器（WMAP）偵測到宇宙137億年前的詳細麵貌，解析度較之前改進許多。因此，1992年便成為現代宇宙學的起點。

    三、引力波

     在愛因斯坦的廣義相對論中，引力被認為是時空彎曲的一種效應。這種彎曲時因為質量的存在而導致。通常而言，在一個給定的體積內，包含的質量越大，那麽在這個體積邊界處所導致的時空曲率越大。當一個有質量的物體在時空當中運動的時候，曲率變化反應了這些物體的位置變化。在某些特定環境之下，加速物體能夠對這個曲率產生變化，並且能夠以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現象被稱之為引力波。

    2016年6月16日淩晨，LIGO合作組宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位於美國漢福德區和路易斯安那州的利文斯頓的兩台引力波探測器同時探測到了一個引力波信號；這是繼 LIGO 2015年9月14日探測到首個引力波信號之後，人類探測到的第二個引力波信號  。

    當一個引力波通過一個觀測者的時候，因為應變(strain)效應，觀測者就會發現時空被扭曲。當引力波通過的時候，物體之間的距離就會發生有節奏的增加和減少。這種效應的強度與產生引力波源之間距離成反比。繞轉的雙中子星係統被預測，在當它們合並的時候，是一個非常強的引力波源，由於它們彼此靠近繞轉時所產生的巨大加速度。由於通常距離這些源非常遠，所以在地球上觀測時的效應非常小，形變效應小於1.0E^-21。科學家們已經利用更為靈敏的探測器證實了引力波的存在。目前最為靈敏的探測是aLIGO，它的探測精度可以達到1.0E^-22。

    引力波應該能夠穿透那些電磁波不能穿透的地方。所以猜測引力波能夠提供給地球上的觀測者有關遙遠宇宙中關於黑洞和其它奇異天體的信息。而這些天體不能夠為傳統的方式，比如光學望遠鏡和射電望遠鏡，所觀測到，所以引力波天文學將給我們有關宇宙運轉的新認識。尤其，引力波更為有趣的是，它能夠提供一種觀測極早期宇宙的方式，而這在傳統的天文學中是不可能做到的，因為在宇宙再合並之前，宇宙對於電磁輻射是不透明的。所以，對於引力波的精確測量能夠讓科學家們更為全麵的驗證廣義相對論。（來源於百度）

四、超聲波

    超聲波對人體無害，超聲波波長很短，這決定了超聲波具有一些重要特性，使其能廣泛應用於無損檢測。超聲波方向性好  超聲波具有像光波一樣定向束射的特性；超聲波穿透能力強，對於大多數介質而言，它具有較強的穿透能力。例如在一些金屬材料中，其穿透能力可達數米。超聲波能量高，超聲檢測的工作頻率遠高於聲波的頻率，超聲波的能量遠大於聲波的能量。遇有界麵時，將產生反射、折射和波型的轉換。利用超聲波在介質中傳播時這些物理現象，經過巧妙的設計，使超聲檢測工作的靈活性、精確度得以大幅度提高。

     五、次聲波

    次聲波的特點是來源廣、傳播遠、穿透力強。但它卻時刻在產生並威脅著人類的安全．在自然界，例如太陽磁暴、海峽咆哮、雷鳴電閃、氣壓突變；在工廠，機械的撞擊、摩擦；軍事上的原子彈、氫彈爆炸試驗等等，地震、火山爆發、龍卷風等在發生前都會發出次聲波。次聲波的特點被科學家們利用它來預測台風、研究大氣結構等．在軍事上可以利用次聲來偵察大氣中的核爆炸、跟蹤導彈等等。

    信息是什麽?五彩繽紛的世界信息由大量“波”組成。

    過多的解釋,過多的定義,很容易將人帶入信息的迷霧,我們會永遠無法了解事實的真相。墨默覺得名稱應該就是最簡單的定義解釋最多的事物，信息就是波。