第六章 用波了解我们的世界

     墨默想了解世界，但是在眼睛和耳朵之外还有很多信息我们无法知道。这些信息隐蔽在各种各样的波当中。科学家通过发现各种仪器能将波内的信息转变化数字、图像、文字和声音，我们通过眼睛和耳朵来认识世界发生的事情，了解世界的宽广。

第一节  光的仪器

    可见光是一种电磁波，其范围波长约为4000～7000埃，我们的眼睛直接通过光获取信息，但是由于眼睛能力有限，还有许多信息无法看到，需要通过仪器获得信息。我们再次学习初中物理。

 一、望远镜

    普通望远镜（图）和折射表达式天望远镜（图）主要也是由物镜和目镜两组透镜组成的，通过目镜观察到物体的虚像，好像物体被移近了，从而使我们看清远处的物体，拓宽了观察的视野。

     400多年前，伽利略首次将望远镜指向天空，看到了月球上的环形山和木星的卫星，发现了太阳的黑子。以后，随着望远镜技术的不断改进，人们发现了一个又一个新的天体，使得天文学的研究领域不断扩大，人们的视野正在一步步地向宇宙深处拓展。

     我们通过望远镜了解宇宙太空。

    望远镜是观测天体的重要手段，可以毫不夸大地说，没有望远镜的诞生和发展，就没有现代天文学。

    从第一架光学望远镜到射电望远镜诞生的三百多年中，光学望远镜一直是天文观测最重要的工具。其中哈勃太空望远镜是有史以来制造的最为强大同时也最为多产的科学仪器之一。

     1.通过观测遥远爆炸恒星发出的光线，“哈勃”发现了暗能量。一个处于加速状态的宇宙。

　　2. 测定宇宙年龄应该在137.5亿年左右。

测量不断膨胀的宇宙

　　3.发现星系处于不断成长状态。

　　4.发现了18万颗恒星以及16个绕各类恒星轨道运转的潜在外星球。

　　5.揭开了“暗物质“的神秘面纱。

　　二、显微镜

    显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，是人类进入原子时代的标志。主要用于放大微小物体成为人的肉眼所能看到的仪器。显微镜分光学显微镜和电子显微镜：光学显微镜是在1590年由荷兰的詹森父子所首创。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.11微米。

     显微镜把一个全新的世界展现在人类的视野里，人们第一次看到了数以百计的“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种东西的内部构造。显微镜还有助于科学家发现新物种，有助于医生治疗疾病。

    显微镜结构

    光学显微镜由目镜，物镜，粗准焦螺旋，细准焦螺旋，压片夹，通光孔，遮光器，转换器，反光镜，载物台，镜臂，镜筒，镜座，聚光器，光阑组成。

显微镜（图）主要由物镜和目镜两组凸透镜组成。通过物镜和目镜可形成物体的放大的虚像，从而使我们能观察到肉眼无法看到细微物体或物体的精细结构（图）

   光学显微镜的发明，使人们观察到了微生物，发现了细胞，引发了医学和生物学的划时代革命。

    第二节    传感器

    传感器是检测信息的工具，许多信息传递都需要传感器来转换信息，它是我们获取信息的重要工具，初中物理是这样说的。

    传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和检测等要求，传感器一般由敏感元件，转换元件和转换电器三部分组成。

   1、 被测量     2、敏感元件  3、转换元件  4、转换电路 5、电学量                     

    敏感元件：相当于人的感觉器官，直接感受被测量并将其变换成与被测量成一定关系的易于测量的物理量，如温度、位移等。

    转换元件：也称为传感元件，通常不直接感受被测量，而是将敏感元件输出的物理量转换成电学量输出。

    转换电路：将转换元件输出的电学量转换成易于测量的电学量，如电压、电流、频率等。

     常用传感器是利用某些物理、化学或生物学效应进行工作的。

     一般来说，用于完成视觉、听觉、触觉功能的传感器，其接受的是光、声波、压力等物理信息，称为物理传感器，而代替嗅觉、味觉功能的传感器，则称为化学传感器或生物传感器。

     目前常用的传感器有温度传感器、红外线传感器、生物传感器等。

各种各样的传感器

第三节    电磁波

     光波是一种电磁波，其它的电磁波都蕴含着信息。

     一、无线电波 (Radio)

     无线电波是一种电磁波，在电磁波谱中，其范围波长为15公分～2公里的电磁波。无线电波常被用于长距离的通讯，如电视机、收音机等频道都是运用到无线电波，它有不易被阻挡、折射、变频等特性。现今也用无线电波来探索宇宙遥远处的奥秘。

      二、 微波 (Microwave)

      微波是一种电磁波，在电磁波谱中，其范围波长为0.1～15公分的电磁波。微波常被用于短距离的通讯或遥控，如电视机、冷气机、音响等遥控器都是运用到微波的原理。现今也已应用2450MHz的频率于厨房中的烹煮食物。

     三、 红外光 (Infrared)

     红外光是M. Herschel于1800年所发现的。红外光有着显著的热效应，可用温差电偶、光敏电阻或光电管等仪器探测。按波长略可分成0.75～3微米(1微米=10-4公分)的近红外区、3～30微米的中红外区和30～1000微米的远红外区等三段。应用红外光谱，在研究分子结构、固态物质的光学性质、夜视环境等，用途极大。

     四、紫外光 (Ultraviolet)

    这一范围开始于可见光的短波极限，而与长波X射线的波长相重迭。紫外光是J. W. Ritter于1801年所发现的。应用上，在测定气体或液体中如氯、二氧化硫、二氧化氮、二硫化炭、臭氧、汞等特定分子，以及各种未饱和化合物的成分的紫外光吸收光谱，用途很大。

      五、 X射线 (X-ray)

     X射线是一种穿透力很强的电磁波， X射线是伦琴 (W. Rongen)于1895年所发现的，所以X射线又被称为「伦琴」射线。X射线通常是由高速电子与固体碰撞而产生的，或是强光照射下所产生的“荧光效应“也会有少量的X射线呈现。因为它的强穿透力较不会损伤周遭组成物质，所以可用来作非破坏性物品等材料检验，以及动物的身体内部骨骼等医学检查。

     六、 伽玛射线 (γ-ray)

     γ射线的特征和X射线极为相似，是一种辐射能量高且穿透力极强的电磁波，γ射线是维拉德 (P. Villard) 于1900年所证实的。γ射线通常是由极高速电子与原子核碰撞而产生。这种超强激光射线有诸多用途包括医学成像，放射性疗法，以及正电子放射断层造影术（PET）扫描。同时这种射线源还可以被用来监视密封存放的核废料是否安全。另外，由于这种激光脉冲极短，持续时间仅1千万亿分之一秒，快到足以捕获原子核堆激发的反应，这就使它非常适合用于实验室中的原子核研究。

表1    电磁波的分类                                              

范围         波长(cm)              频率 （Hz ）              波数 （cm-1）

无线电波    >30                     <10⁹                        <0.03

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

远红外      0.1 –5 x 10 ^-3         3 x 10¹¹–6x 10 ¹²          10-200

中红外      6 x 10^－3 －2.5 x 10^-4   6 x 10¹² - 1.2 x 10 ¹⁴      200-4,000

近红外      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

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

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

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

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

           第四节  其它的波

     在爱因斯坦的广义相对论中，引力被认为是时空弯曲的一种效应。这种弯曲时因为质量的存在而导致。通常而言，在一个给定的体积内，包含的质量越大，那么在这个体积边界处所导致的时空曲率越大。当一个有质量的物体在时空当中运动的时候，曲率变化反应了这些物体的位置变化。在某些特定环境之下，加速物体能够对这个曲率产生变化，并且能够以波的形式向外以光速传播。这种传播现象被称之为引力波。

    2016年6月16日凌晨，LIGO合作组宣布：2015年12月26日03:38:53 （UTC），位于美国汉福德区和路易斯安那州的利文斯顿的两台引力波探测器同时探测到了一个引力波信号；这是继 LIGO 2015年9月14日探测到首个引力波信号之后，人类探测到的第二个引力波信号  。

    当一个引力波通过一个观测者的时候，因为应变(strain)效应，观测者就会发现时空被扭曲。当引力波通过的时候，物体之间的距离就会发生有节奏的增加和减少。这种效应的强度与产生引力波源之间距离成反比。绕转的双中子星系统被预测，在当它们合并的时候，是一个非常强的引力波源，由于它们彼此靠近绕转时所产生的巨大加速度。由于通常距离这些源非常远，所以在地球上观测时的效应非常小，形变效应小于1.0E^-21。科学家们已经利用更为灵敏的探测器证实了引力波的存在。目前最为灵敏的探测是aLIGO，它的探测精度可以达到1.0E^-22。

    引力波应该能够穿透那些电磁波不能穿透的地方。所以猜测引力波能够提供给地球上的观测者有关遥远宇宙中关于黑洞和其它奇异天体的信息。而这些天体不能够为传统的方式，比如光学望远镜和射电望远镜，所观测到，所以引力波天文学将给我们有关宇宙运转的新认识。尤其，引力波更为有趣的是，它能够提供一种观测极早期宇宙的方式，而这在传统的天文学中是不可能做到的，因为在宇宙再合并之前，宇宙对于电磁辐射是不透明的。所以，对于引力波的精确测量能够让科学家们更为全面的验证广义相对论。（来源于百度）

四、超声波

    超声波对人体无害，超声波波长很短，这决定了超声波具有一些重要特性，使其能广泛应用于无损检测。超声波方向性好  超声波具有像光波一样定向束射的特性；超声波穿透能力强，对于大多数介质而言，它具有较强的穿透能力。例如在一些金属材料中，其穿透能力可达数米。超声波能量高，超声检测的工作频率远高于声波的频率，超声波的能量远大于声波的能量。遇有界面时，将产生反射、折射和波型的转换。利用超声波在介质中传播时这些物理现象，经过巧妙的设计，使超声检测工作的灵活性、精确度得以大幅度提高。

     五、次声波

    次声波的特点是来源广、传播远、穿透力强。但它却时刻在产生并威胁着人类的安全．在自然界，例如太阳磁暴、海峡咆哮、雷鸣电闪、气压突变；在工厂，机械的撞击、摩擦；军事上的原子弹、氢弹爆炸试验等等，地震、火山爆发、龙卷风等在发生前都会发出次声波。次声波的特点被科学家们利用它来预测台风、研究大气结构等．在军事上可以利用次声来侦察大气中的核爆炸、跟踪导弹等等。

    信息是什么?五彩缤纷的世界信息由大量“波”组成。

    过多的解释,过多的定义,很容易将人带入信息的迷雾,我们会永远无法了解事实的真相。墨默觉得名称应该就是最简单的定义解释最多的事物，信息就是波。