人们的视线交叉，为什么却能互不干扰？

walysj

你有没有想过，为什么光线在空间中传播时，基本上能保持不受其他光线的干扰，径直射到的你的眼睛？
例如下图中的人，虽然他们的视线相交，但不会影响他们独立地看各自喜欢的风景。

同样，来自不同方向的声音，虽然它们在空中会相遇，但它们都几乎会各自完好无损的抵达想听它们的不同耳朵。
为什么？
按理说，它们既然在空间中相遇，为什么却似乎完全不受影响呢？
要回答这个问题，首先要搞明白什么是波。
先来看机械波，它是一种无形的东西的运动，这个东西是振动状态。
例如，在看球时，你挥手，你的邻座也跟着一起挥手，然后下一个邻居也跟着这样做，逐渐，挥手的动作传到了很远的地方，形成了人浪游戏。这也是一种波的现象，它传播的是挥手的动作。

在将挥手动作传给远处的人时，你并没有站起来走过去，但你的动作被远处的人重复着，由于动作的传播需要时间，越远处的人越晚开始挥手。

实际上，如果挥手一直持续——形成周期运动，那么这个人浪就是真正的波动，它的特点是：不同的位置都在周期运动，虽然节奏一致，但步调不同，越远处越滞后。

声波就是一种典型的机械波。由于振源的位移的周期变化，带动邻近的空气分子振动，被带动的空气分子又带动它的邻居振动，就这样，振动由近及远的传播，就形成了声波。

光波是由于电荷的加速运动，引起横向的电场强度和磁场强度的振动，这种振动在空间中由近及远的传播就是电磁波，而光就是频率很高的电磁波。

好，我们现在回到本文的核心问题——为什么波相遇时好像没有发生任何相互作用？
有人会问：波不是物质吗？物质相遇不会碰撞吗？碰撞会造成影响啊！
如果我说波本身不是物质，肯定有人不同意——光波不是物质嘛！
好吧，光是电磁波，当然是物质，从量子论的角度看，光还是粒子呢！
那么问题就来了，两列光波相遇时，难道它们的光子之间完全不会发生碰撞吗？而只要一碰撞，光线不就会互相影响吗？
对机械波来说，虽然波本身不是物质，但毕竟波是依赖于介质传播的，涉及粒子的振动！两个波相遇，意味着介质的粒子应该也相遇了吧？可为什么就是毫发无损呢？
呃，这样看来，问题还真不好对付啊！

这背后到底是什么机制在起作用呢？
简单地说，这件事与介质对波的相应是否一致有关。具体点就是，一般情况下，不同频率的波的传播速度都是一样的，波相遇时，振动只是线性地叠加，所以波相互之间没有相互影响。
是不是又觉得好难理解？那就继续听我唠叨吧。
波在介质中传播时，它的速度会受到很多因素的影响。若波速因不同的频率而不同，这是一种非线性效应，或者说产生了波的色散。
但一般情况下，波速只由介质的决定而与波的频率无关，换句话说，不同频率或者强度的波，传播速度是一样的，也就是没有色散。

如上图所示，这两个相向而行的波，无论它们的频率是什么关系，由于它们在介质中具有同样的波速，所以相遇时点，振动状态线性叠加——偏离平衡位置的位移和振动速度都是直接相加。

如下图所示，波相遇时，振动就这样简单的叠加。

好，抓住这一点，现在就好理解了！
对于声波来说，当两个声波经过空间某个质点时，该质点同时具有两个波引起的振动，它们根据线性叠加原理，按矢量的合成规律——平行四边形法则或三角形法则，形成一个合振动，被这个粒子拥有，并没有什么碰撞发生！
你可能会担心：旁边的质点会不会撞上来？答案是：不会！
因为波满足线性叠加原理，使得所有的质点都会平等地产生合振动。它们都乖乖地在它们各自的平衡位置附近来回振动。
既然只有一个波时，你不担心相互间隔的质点会相互碰撞，那么波相遇时形成合振动后，只导致每个质点都改变了振动方向和幅度，非近邻的质点之间当然也不会发生碰撞了。
只有那些紧邻质点会反复推搡和远离——因为它们本来靠这个而带动彼此振动嘛，即使只有一个波时也是如此。

对于光波来说，如果你完全把它看作波，也是一样的理解。
两个光波相遇点，空间的电场强度和磁场强度也不过基于线性叠加原理，形成各自的合振动罢了，因为矢量是独立的，它们之间也不会互相影响，待穿过彼此之后，电磁场又各自回归本来的样子——保持原有的振幅、相位和频率。

下图给出的就是电场强度相互垂直的电磁波相遇时的叠加效果。

如果你把光理解为光子的粒子流，那解释当然会不同了，涉及量子场论之类的复杂理论。
简单地说，首先，光子是玻色子，不受泡利不相容原理的约束，很多光子处在同一点也不会有什么问题；另外，光子不带电，它们彼此之间几乎没有相互作用，自然也就没有影响了。
需要指出的时，这里我们只讨论低能的情况，当能量非常高时，光子之间可能会通过各种非线性效应相互影响，这属于双光子物理学的内容。
总之，对于光和声音，在一般情况下，尤其是在空气中时，没有色散，所以波都是按照上面这种模式传播，这使得波穿越彼此之后，能保持原有的特性继续传播。
基于这个原因，在一般介质中行进的声波或光波，都基本能保持原样传播，即使路径交叉，也是毫发无损。所以，我们也不用担心看到的光或听到的声音受到破坏。
行文至此，本文的问题已经基本解释完了。
不过，正如前面提到，有的波在有些介质中传播时会发生色散，不服从线性叠加原理，彼此之间会相互影响。对此情况，本号将会在下一篇文章中再作介绍，敬请关注。

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