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声学中的诺贝尔物理学奖

声音是人类最早研究的物理现象之一，声学也是经典物理学中历

史最悠久，并且当前仍处在前沿地位的唯一的物理学分支学科。虽然

声学深深改变和影响着人类的生活，但是近代声学的研究却大量服务

于军事科学，而在基础理论方面并没有太大实质性进展，这让现代声

学距离诺贝物理奖似乎越来越远。但这并未到特别悲观的地步，因为

几乎所有的物理大佬都研究过声学，而且近代很多诺贝尔奖获得者也

是声学出身，其中集声学理论于大成者的瑞利曾获得1904年诺贝尔物

理学奖。另外还有一个奇怪的现象，世界上研究声学的学者大都很长

寿。

当你决定是否准备把自己孩子送去学习声学之前，我们先数数物

理学界泰斗们的声学渊源。从上古起直到19世纪，人们都是把声音理

解为可听声的同义语。中国先秦时就说“情发于声，声成文谓之音”，

“音和乃成乐”。声、音、乐三者不同，但都指可以听到的现象。同

时又说“凡响曰声”，声引起的感觉是响，但也称为声，这与现代对

声的定义相同。西方国家也是如此，英文Audition的词源来源于希腊

文，意思就是“听觉”。

世界上最早的声学研究工作主要在音乐方面。《吕氏春秋》记载，

黄帝令伶伦取竹作律，增损长短成十二律；伏羲作琴，三分损益成十

三音。三分损益法就是把管(笛、箫)加长三分之一或减短三分之一，这

样听起来都很和谐，这是最早的声学定律。传说在古希腊时代，毕达

哥拉斯也提出了相似的自然律，只不过是用弦作基础。

1957年在中国河南信阳出土了蟠螭文编钟，它是为纪念晋国于公

元前525年与楚作战而铸的。其音阶完全符合自然律，音色清纯，可

以用来演奏现代音乐。1584年，明朝朱载堉提出了平均律，与当代乐

器制造中使用的乐律完全相同，但比西方早提出300年。

古代除了对声传播方式的认识外，对声本质的认识也与今天的完

全相同。在东西方，都认为声音是由物体运动产生的，在空气中以某

种方式传到人耳，引起人的听觉。这种认识现在看起来很简单，但是

从古代人们的知识水平来看，却很了不起。

例如，很长时期内，古代人们对日常遇到的光和热就没有正确的

认识，一直到牛顿的时代，人们对光的认识还有粒子说和波动说的争

执，且粒子说占有优势。至于热学，“热质”说的影响时间则更长，

直到19世纪后期，恩格斯还对它进行过批判。

对声学的系统研究是从17世纪初伽利略研究单摆周期和物体振动

开始的。从那时起直到19世纪，几乎所有杰出的物理学家和数学家都

对研究物体的振动和声的产生原理作过贡献，而声的传播问题则更早

就受到了注意，几乎2000年前，中国和西方就都有人把声的传播与水

面波纹相类比。

1635年有人用远地枪声测声速，以后方法又不断改进，到1738

年巴黎科学院利用炮声进行测量，测得结果折合为0℃时声速为332米

/秒，与目前最准确的数值331.45米/秒只差0.15%，这在当时“声学

仪器”只有停表和人耳和情况下，的确是了不起的成绩。

牛顿在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中推理：振动物体

要推动邻近媒质，后者又推动它的邻近媒质等等，经过复杂而难懂的

推导，求得声速应等于大气压与密度之比的二次方根。欧拉在1759年

根据这个概念提出更清楚的分析方法，求得牛顿的结果。但是据此算

出的声速只有288米/秒，与实验值相差很大。

达朗贝尔于1747年首次导出弦的波动方程，并预言可用于声波。

直到1816年，拉普拉斯指出只有在空气温度不变时，牛顿对声波传导

的推导才正确，而实际上在声波传播中空气密度变化很快，不可能是

等温过程，而应该是绝热过程。因此，声速的二次方应是大气压乘以

比热容比(定压比热容与定容比热容的比)与密度之比，据此算出声速的

理论值与实验值就完全一致了。

直到19世纪末，接收声波的“仪器”还只有人耳。人耳能听到的

最低声强大约是10ˉ12瓦/米2，在1000Hz时，相应的空气质点振动

位移大约是10pm(10ˉ11米)，只有空气分子直径的十分之一，可见人

耳对声的接收确实惊人。19世纪中就有不少人耳解剖的工作和对人耳

功能的探讨，但至今还未能形成完整的听觉理论。目前对声刺激通过

听觉器官、神经系统到达大脑皮层的过程有所了解，但这过程以后大

脑皮层如何进行分析、处理、判断还有待进一步研究。

音调与频率的关系明确后，对人耳听觉的频率范围和灵敏度也都

有