第13章：神奇的波
“你們知道波是什么嗎？”林格看著學(xué)生們六雙求知的大眼睛，微笑著介紹起“波”這種物理學(xué)當(dāng)中最神奇的東西之一，“它是指某種物理量在空間中的擾動(dòng)或震動(dòng)的移動(dòng)。這句話現(xiàn)在聽(tīng)不懂沒(méi)有關(guān)系，在教你們波具體是什么之前，我會(huì)先給你們普及一下物理學(xué)的概念?！?p> “物理學(xué)，研究世間萬(wàn)物運(yùn)行的基本道理的科學(xué)，這個(gè)物指的是物質(zhì)。比方說(shuō)木頭，物理學(xué)研究一截鋸下來(lái)的小樹(shù)要用多大力氣才能把它折斷，并由此擴(kuò)展到實(shí)際問(wèn)題當(dāng)中，比如說(shuō)把小樹(shù)做成一個(gè)扁擔(dān)，能挑多重的東西。但是物理學(xué)不會(huì)去研究這根樹(shù)木是怎么生長(zhǎng)的，它為什么能長(zhǎng)這么硬，那就是另一個(gè)學(xué)科的事情。從這個(gè)例子可以看出，對(duì)于木頭這種物質(zhì)，它能受多大的力，它有多硬，這就屬于物理學(xué)性質(zhì)；而它是怎么生長(zhǎng)的，這就不屬于物理學(xué)性質(zhì)。”
“除了木頭，物理學(xué)還研究水，研究空氣、石頭、泥土、金銀銅鐵這些看得見(jiàn)或者摸得著的東西，還研究聲音，研究光、電、磁、熱這些不一定能直接體會(huì)到，但又真實(shí)存在的東西，甚至還研究波、場(chǎng)、空間、時(shí)間、能量、混亂度這些非常抽象的東西。總之，物理學(xué)研究一切！”林格情不自禁地張開(kāi)雙手抱向天空。
“而我今天要給你們介紹的，就是光和波這兩種物理學(xué)概念，還有它們的關(guān)系。我們只淺顯地講一下，因?yàn)樗鼈儍蓚€(gè)實(shí)際上都不是什么簡(jiǎn)單的東西，有關(guān)于它們的知識(shí)極其繁多，部分知識(shí)非?；逎y懂，即使是老師我都不是很明白?！?p> “首先要讓你們認(rèn)識(shí)一下波大概是什么樣子。吶！”林格用手一指不遠(yuǎn)處，“那邊的小池塘，你們經(jīng)常去玩吧？”
城堡后面，位于蘋(píng)果樹(shù)和后山之間的東面低地有一處占地一畝左右的池塘，山上泉眼涌出的泉水匯聚成小溪流入池塘當(dāng)中，再?gòu)某靥恋牧硪贿吜鞒鋈?，有活水源的池塘清澈無(wú)比。這里是弗倫斯家的土地，城堡里的仆人一般都會(huì)來(lái)這里清洗衣服，再加上池塘不深，所以亞歷山大也沒(méi)有禁止女兒靠近。菲爾和洛娜經(jīng)常會(huì)去池塘邊打水漂玩。
“有注意到每當(dāng)風(fēng)吹過(guò)時(shí)水面上泛起的波紋嗎？那些就是最簡(jiǎn)單的波，水波最直觀最容易理解?！闭f(shuō)到這里林格站了起來(lái)，“走，咱們?nèi)コ靥吝呁嬉煌?。?p> “玩？”洛娜疑惑道。
“對(duì)，”林格笑著說(shuō)道，“一邊玩一邊實(shí)驗(yàn)，在玩耍中實(shí)驗(yàn)，這樣上課才有樂(lè)趣嘛！”
剛走出樹(shù)蔭，林格就感覺(jué)到現(xiàn)在太陽(yáng)還是曬了一點(diǎn)，于是抬頭看天，右手往空中揮了兩下，改變了頭頂上方一大片空氣的密度分布，借此改變部分空氣折射率，將九成以上的太陽(yáng)光折射到了其他地方。使林格周?chē)霃?米的范圍內(nèi)都變成了陰涼區(qū)，不再受到太陽(yáng)的炙烤。在此過(guò)程中，林格只用到了風(fēng)魔法。
“哇！老師好厲害！”雪莉和菲爾同時(shí)驚嘆起來(lái)。在她們的眼里，頭頂上就像憑空出現(xiàn)一片圓形烏云，把太陽(yáng)遮住了一樣。
林格回頭笑著說(shuō)：“要是覺(jué)得厲害就好好跟老師后面學(xué)習(xí)科學(xué)，雖然老師用的手段是魔法，但是方法卻是科學(xué)的喲！”
“那老師，這是什么原理呀？”之前一直沒(méi)怎么說(shuō)過(guò)話的茉兒開(kāi)口問(wèn)道。
聽(tīng)到她問(wèn)這個(gè)，林格感到很欣慰：“這個(gè)也是跟光有關(guān)，叫做光的折射定律，不用著急，以后老師會(huì)教你們的?！?p> “喔！”茉兒乖巧地點(diǎn)點(diǎn)頭。
六個(gè)小女孩跟著林格創(chuàng)造的陰涼區(qū)來(lái)到池塘邊。為了讓她們上課舒服些，林格動(dòng)用土石魔法從地上升起來(lái)6個(gè)方方正正的小土塊，剔除了其中的草根、大塊石子和游離水后，土質(zhì)小板凳坐起來(lái)就會(huì)很舒服了。除了小屁屁可能會(huì)有點(diǎn)臟以外，林格腹黑地想。
別看林格的操作容易的很，這可是只有5級(jí)及以上魔法師才能做得到的“魔力微操”，要是有明白的人在這兒，現(xiàn)在就已經(jīng)識(shí)破林格的4級(jí)魔法師身份了。林格覺(jué)得以前的他有一做法對(duì)的很，那就是：絕不教她們?cè)鯓訁^(qū)分魔法師的級(jí)別。
“現(xiàn)在我們來(lái)看水面上的波，”林格站在池塘邊指著水面道，“從我們現(xiàn)在這個(gè)角度，看上去水波是一圈一圈的，它們是非常小的浪。這種水波只在水面存在，在“波”這個(gè)大家族當(dāng)中它被分為平面波這個(gè)種類，意思就是它只能在平面上傳播?！?p> “但是想要研究它，我們一般不會(huì)從這個(gè)角度去看波，”說(shuō)著，林格右手往池塘的方向一抓，水面上泛起了不規(guī)則的震動(dòng)，一小束水像海上龍卷風(fēng)那樣被吸了起來(lái)，聚到了林格的手掌心，林格隨即施展冰魔法把這些水凝結(jié)成了一根長(zhǎng)度約一米的指粗冰棍，然后用它在塘邊濕泥地上畫(huà)出了一條起伏明顯的波浪線，“我們一般從水波的橫截面，也就是水平面的方向去觀察它，然后我們就能看到水波大概是這個(gè)樣子，對(duì)不對(duì)？”
淺顯易懂，菲爾和洛娜的聰明自然不用說(shuō)，亞歷山大也不會(huì)找4個(gè)笨蛋給自己的女兒伴學(xué)，看到那條波浪線，大家很快都明白了意思。
“大家看到了這條波浪線，那么你們覺(jué)得我們應(yīng)該如何向別人描述它的樣子呢？”林格開(kāi)始步步誘導(dǎo)，“說(shuō)它很高？”林格又用冰棍畫(huà)了一條振幅很大的波浪線，“說(shuō)它很寬？”又畫(huà)了一條波長(zhǎng)很長(zhǎng)的，“說(shuō)它很密集？”又畫(huà)了一條頻率很高的，“這些描述是不是都不夠精確？它不能準(zhǔn)確的告訴別人這條波到底長(zhǎng)什么樣！”
大家都點(diǎn)點(diǎn)頭，很認(rèn)真的聽(tīng)講。
“所以我們接下來(lái)要引入兩個(gè)重要概念和三個(gè)要素，用來(lái)精確描述波的樣子。這也是學(xué)物理的人需要養(yǎng)成的習(xí)慣，那就是不管研究什么都要追求精確！”
“這兩個(gè)概念分別是：波峰和波谷。三個(gè)要素是：波長(zhǎng)、頻率和振幅，”林格用手中的冰棍指著地上的波形道，“把一個(gè)波浪的形狀看作一個(gè)山峰，山頂我們稱之為波峰，山腳我們稱之為波谷。波長(zhǎng)指的是兩個(gè)相鄰波峰之間的距離，振幅則指波峰和波谷之間的高度差，注意不是直線距離哦！它們的單位我們暫時(shí)都用寸來(lái)表示。”
“頻率的描述相對(duì)而言較為復(fù)雜一些，不過(guò)理解起來(lái)也很簡(jiǎn)單。水波是會(huì)移動(dòng)的，頻率你們就當(dāng)是在一秒內(nèi)通過(guò)某一固定地方的波峰的數(shù)量，呃……”林格撓撓頭，他好像還沒(méi)有跟學(xué)生們普及“秒”這個(gè)時(shí)間單位。
結(jié)果林格又得花費(fèi)一番口舌，先解釋了秒和分鐘的關(guān)系，然后再解釋分鐘和小時(shí)的關(guān)系。告訴她們兩小時(shí)等于一個(gè)時(shí)辰，一天24小時(shí)，計(jì)算得出一天共有1440分鐘，86400秒。為了形象一點(diǎn)，林格還用冰棍敲地的方法向女孩們演示一秒大概有多長(zhǎng)。等大家都理解差不多了，他才繼續(xù)講“波”。
“下面我要講的，是今天課程的重點(diǎn)！”林格用冰棍戳了戳地，“所有的波都有一種非常神奇的特性，那就是如果波在傳播過(guò)程當(dāng)中遇到障礙物，而它的波長(zhǎng)大于障礙物在它傳播方向上的厚度，那么它就會(huì)自然而然地繞過(guò)障礙物，繼續(xù)向著被障礙物阻擋的后方傳播！反之才會(huì)被阻擋。這種特性，我們稱之為波的繞行性?！绷指褡约簞?chuàng)造了一個(gè)名詞，感覺(jué)還挺爽。
“正是因?yàn)椴ǖ倪@個(gè)特性，我們才看到了之前樹(shù)蔭下太陽(yáng)光斑邊緣的模糊現(xiàn)象。下面我們用水波來(lái)做個(gè)小實(shí)驗(yàn)，親眼目睹一下波的繞行現(xiàn)象，”林格拿起自己的木板，向眾人詢問(wèn)道，“有誰(shuí)愿意幫老師捉著這個(gè)木板？”
菲爾第一個(gè)舉起了手，洛娜飛快地看了一眼姐姐，緊跟著也舉起了手。林格看到雪莉的手動(dòng)了一下，但是最終沒(méi)舉起來(lái)，內(nèi)心不禁嘆了一口氣：教育花朵任重而道遠(yuǎn)啊！看來(lái)得找時(shí)間給她們講一講點(diǎn)天賦人權(quán)的事情啊，不然指不定哪天就埋沒(méi)了一個(gè)人才……也不知道行不行。
“菲爾速度最快，那就讓菲爾來(lái)吧！”林格將木板遞過(guò)去，“待會(huì)兒你拿著木板，把它豎直放入水面，記得不要放太深，一寸左右就夠了?！?p> 菲爾一邊點(diǎn)頭，一邊小心翼翼如獲珍寶似的接過(guò)刻著魔法陣的木板。林格笑道：“不用那么小心，它沒(méi)那么金貴?！币?yàn)閷毷湍сy都已經(jīng)被林格摳下去了。
菲爾脫去鞋襪露出白嫩嫩的小腳，也沒(méi)見(jiàn)著有多嫌棄，就一腳踩入池塘邊的泥中，看來(lái)她肯定不是第一次踩水玩。剛剛過(guò)膝的裙子完全不影響菲爾的行動(dòng)，她提著木板讓其一端沒(méi)入水中幾厘米深，然后便抬頭看著林格。
“好，”林格就不打算那么麻煩了，腳往池塘面上一踩，直接凍出一個(gè)直通水底的冰柱，無(wú)比瀟灑地走到菲爾對(duì)面，一眾女孩露出羨慕的表情，“別那么看著我，好好學(xué)，你們也能做到！”
“看我手中的這根冰棍，待會(huì)兒我就用它攪動(dòng)產(chǎn)生水波，你們注意觀察水面波紋，估計(jì)一下它的大概波長(zhǎng)有多少，再對(duì)比一下木板的厚度，這樣就可以驗(yàn)證老師剛才說(shuō)的話對(duì)不對(duì)了?！闭f(shuō)著，林格又吸了一些水，把手中的冰棍變得和手臂一樣粗，隨即放入水中攪動(dòng)起來(lái)。
這樣粗的冰棍在水中緩緩攪動(dòng)出來(lái)的波浪高度大約有一厘米，它的波長(zhǎng)雖然不容易看出，但是由于林格勻速攪動(dòng)，大家可以數(shù)一數(shù)從木板到冰棒之間時(shí)刻存在的波浪數(shù)量，再和木板到冰棍之間的距離做個(gè)比照，波長(zhǎng)就大概出來(lái)了——大約一寸多，也就是4厘米左右。林格的木板厚度顯然不可能有這么厚，所以波的繞行現(xiàn)象也非常明顯。
一道波紋從木板的邊緣經(jīng)過(guò)，隨即斜斜地?cái)U(kuò)散到木板后方，那樣子有點(diǎn)像現(xiàn)代的Wifi圖標(biāo)，圖標(biāo)最下面的那個(gè)點(diǎn)就是木板的邊緣。這種現(xiàn)象說(shuō)不上有多詭異，再加上提前知道了結(jié)果，所以女孩們都只是不斷地點(diǎn)頭小聲感嘆：“真的耶……”
“實(shí)驗(yàn)的結(jié)果很明顯對(duì)不對(duì)？”林格停下了手中的動(dòng)作，等女孩們感嘆差不多了，他又開(kāi)始拋出一個(gè)新的問(wèn)題，“這證明波長(zhǎng)比障礙物寬的波，的確可以在障礙物后面繞行。那你們又有沒(méi)有想過(guò)，假如波長(zhǎng)比障礙物短呢？”
“那一定是不能繞行了！”菲爾立刻搶答了出來(lái)，她感覺(jué)自己應(yīng)該猜對(duì)了。
林格神秘地笑了笑：“你的猜想是很有道理的，但我們還需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)猜想。所以接下來(lái)我們需要解決一個(gè)問(wèn)題：怎樣才能產(chǎn)生波長(zhǎng)更短的波呢？攪得更快可以嗎？”
這一回，洛娜只想了一會(huì)兒便搖搖頭：“好像不行，老師如果攪的太快的話，根本看不見(jiàn)波，反而會(huì)攪出很多水花來(lái)?！?p> “對(duì)了，洛娜的觀察很仔細(xì)，這就是實(shí)際生活當(dāng)中我們經(jīng)常需要面對(duì)的問(wèn)題。下面的事情老師也就不要你們?nèi)ハ朕k法了，不過(guò)你們?nèi)匀恍枰獙W(xué)習(xí)如何自己思考解決問(wèn)題的辦法，這是需要結(jié)合實(shí)際的，所以并不容易做到，大家要學(xué)會(huì)思考的方法才行?！?p> 林格隨即從懷中掏出一小截本來(lái)用于刻畫(huà)魔法陣的銀絲解釋道：“如果你們接觸過(guò)琴一類的樂(lè)器就應(yīng)該知道，聲音是需要靠撥動(dòng)琴弦才能產(chǎn)生的。每次撥動(dòng)琴弦我們可以很容易地觀察到，琴弦是處于一種非?？焖俚恼駝?dòng)狀態(tài)當(dāng)中。而我之前說(shuō)過(guò)，震動(dòng)的傳遞就是波。所以接下來(lái)我們就用這根銀絲來(lái)完成實(shí)驗(yàn)?！?p> 作為小貴族，菲爾和洛娜自然是接觸過(guò)琴的，于是兩人都微微張開(kāi)小嘴，作原來(lái)如此狀。