于無聲處聽驚雷——超聲檢測史話

只看該作者 · 2011-1-11 15:05:37

引子  1880
1906年4月19日，持續(xù)了數(shù)日的霏霏細(xì)雨仍籠罩著巴黎。
馬車夫帶著宿醉的眩暈與難耐的倦意又開始了一天的謀生。連綿的陰雨在透過浸濕的衣襟傳來陣陣春寒的同時(shí)倒也帶來了更多的生意，心情不錯(cuò)的他漸漸開始策馬疾行，在轉(zhuǎn)過第二個(gè)街角時(shí)馬車夫并不知道他和他的馬車已經(jīng)注定了將要駛進(jìn)物理學(xué)史。
長期地酗酒麻木了馬車夫的神經(jīng)，所以在撞上那個(gè)與他有著同樣倦容的紳士時(shí)幾乎沒有做出什么應(yīng)急反應(yīng)。圍觀人群中一位醫(yī)生模樣的人在檢查了被撞者的傷勢后遺憾地?fù)u搖頭，馬車夫的臉色頓時(shí)變得蒼白如墻角風(fēng)雨中的那朵無名小花。隨后趕來的警察例行公事地在登記薄上填上死者的名字——皮埃爾·居里（Pierre Curie 1859-1906）。很顯然這名年輕的警務(wù)人員并不了解這個(gè)名字，一如后世的我們多數(shù)時(shí)候也是通過他的妻子才會(huì)偶然提起他。誠然，作為第一位兩次諾貝爾獎(jiǎng)得主，居里夫人在科學(xué)史上的名頭如日中天——在俺計(jì)劃中本文的姊妹篇《射線檢測史話》中她也將出場并扮演重要的角色。但現(xiàn)在請我們保持崇敬的心情而將目光重新凝視在居里身上：相對于1903年他與妻子分享的因?qū)椛洮F(xiàn)象的研究和發(fā)現(xiàn)釙和鐳所獲的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)而言，他和哥哥雅克斯·居里（Jacques Curie 1855-1941）共同發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)在那個(gè)被稱作物理學(xué)黃金時(shí)代的歲月里的確只能算是滄海一粟。但是，感謝居里兄弟，正是他們的這一“小小”的發(fā)現(xiàn)奠定了現(xiàn)代應(yīng)用超聲學(xué)的基礎(chǔ)。
1880年，居里兄弟在研究晶體熱電現(xiàn)象與結(jié)晶對稱關(guān)系時(shí)，認(rèn)為這個(gè)現(xiàn)象可能是由加熱時(shí)晶體體積發(fā)生變化所導(dǎo)致的。根據(jù)這個(gè)想法他們做了許多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電氣石或石英等天然礦石晶體受到壓力時(shí)，由于體積變化在晶體表面會(huì)有微小電荷產(chǎn)生。接著他們又發(fā)現(xiàn)當(dāng)晶體置于電場中時(shí)也會(huì)造成體積上的變化，證明了這種現(xiàn)象是可逆的。因?yàn)閴弘娦?yīng)是可逆的，所以把材料因體積變化而產(chǎn)生電壓的效應(yīng)稱為“正壓電效應(yīng)”；反之，材料因加入電壓而造成體積變化的效應(yīng)稱為“逆壓電效應(yīng)”；而具有壓電效應(yīng)的材料則統(tǒng)稱為“壓電材料”。壓電材料除了天然的晶體，如石英、電氣石、羅德鹽等材料以外，還能以人工的方式制造，如氧化鋅、聚合物、陶瓷材料、復(fù)合材料等等。居里兄弟利用這一發(fā)現(xiàn)計(jì)設(shè)了一種用于精確測量微小電量的壓電石英靜電計(jì)——居里計(jì)，我們每個(gè)人今天仍時(shí)常會(huì)看到與用到居里計(jì)——因?yàn)樗钱?dāng)代石英計(jì)時(shí)控制與無線電發(fā)報(bào)的重要元件之一——至少在你低頭看石英腕表的每一個(gè)不經(jīng)意間。
發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)的1880年，皮埃爾·居里年僅21歲，他的哥哥雅克斯·居里25歲。這一年聲學(xué)的開山之祖瑞利爵士（Rayleigh, John William Strutt, Lord 1842～1919）已是四海拜服功成名就。即將名垂超聲檢測史并在日后讓孀居多年的居里夫人情愫暗生的朗之萬（Langevin Paul 1872～1946）時(shí)年8歲。接下來一系列影響超聲檢測發(fā)展的重大事件正在悄無聲息按部就班地演變著：泰坦尼克號沉沒還有32年，第一次世界大戰(zhàn)的硝煙似乎也還依稀，潛水艇仍然還只是紙上談兵；這一年遙遠(yuǎn)的中國大陸上滿清王朝最后的掙扎——“同治中興”已黯然落幕。代表當(dāng)時(shí)金屬制造與加工最先進(jìn)水平的鐵甲戰(zhàn)列艦定遠(yuǎn)號在德國計(jì)設(shè)完成并準(zhǔn)備開始制造，而14年后徹底宣判中華帝國在科技軍事政治等各方面全面失敗的甲午海戰(zhàn)已是山雨欲來；這一年中國封建時(shí)代中寥若星辰的僅有幾位可以稱得上物理學(xué)家之一的宋應(yīng)星（1587～1666）已離世214年，毫不夸張地說中華文明在世界科技史上也至少落后了214年，而造成這一惡果的禍?zhǔn)住婆e制度，則還將再持續(xù)25年。

磨牙嚼舌：科舉制度
科舉制度“濫觴于隋而成熟于唐”。科舉，就是由封建國家設(shè)立科目，定期舉行統(tǒng)一考試，通過考試來選拔官吏，這種作法，也叫“開科取士”。科舉制度以一種相對公平的評價(jià)方式完全替代了秦以前的世襲制、漢的舉察制以及魏晉的九品中正制，其最大的優(yōu)勢是體現(xiàn)了評價(jià)制度中最基本的要素——公平。科舉制度有統(tǒng)一的考試范圍、統(tǒng)一的命題，有利于選拔人才，提高行政效率，對維護(hù)中央集權(quán)的封建統(tǒng)治起了重要作用。所以一直為各封建朝代所沿用，并不斷加以發(fā)展和完善。
科舉制度分為文舉和武舉，武舉是專門選拔武官而設(shè)置的科目。武舉由唐武則天長安二年（702）始置，清光緒二十七年（1901）廢除，歷時(shí)1200年。其考試程序與文舉基本一樣，只是內(nèi)容與時(shí)間的不同。在中國科舉史上，自唐以后，歷來是文武兩科，殊途并進(jìn)。傳說中的岳飛槍挑小梁王就是在武舉考場上完成。但是，中國的科舉制度歷來重視文科，文科一直占據(jù)科舉的絕對統(tǒng)治地位，對中華文明的發(fā)展影響巨大，后世提到科舉時(shí)多也是單指文舉。
作為封建地主階級選拔政府官員的考試，科舉的內(nèi)容基本上是儒家經(jīng)典。由于我國古代的語文教學(xué)是以四書五經(jīng)為核心，所以儒家經(jīng)典自然成為科舉考試的主要內(nèi)容。宋代以后，科舉考試取消了詩賦，考試內(nèi)容主要是三部分：對儒家經(jīng)典知識的理解、運(yùn)用儒家思想對時(shí)事政策的分析和政論文的寫作能力。對于考試的范圍與標(biāo)準(zhǔn)，歷代王朝都作過明確的規(guī)定。如公元653年，唐太宗頒布《五經(jīng)正義》為考試標(biāo)準(zhǔn)；公元1212年，宋寧宗以朱熹《論語集注》、  《孟子集注》為考試標(biāo)準(zhǔn)；公元1414年，明朝頒布《五經(jīng)四書大全》為考試標(biāo)準(zhǔn)；清代，四書以朱熹《四書章句集注》為準(zhǔn)，《易》以程頤傳、朱熹本義為準(zhǔn)，《書》以蔡沈傳為準(zhǔn)，《詩》以朱熹集傳為準(zhǔn)，《春秋》以胡安國傳為準(zhǔn)(以后有變)，《禮記》以陳浩集傳為準(zhǔn)等。
從考試形式看，科舉基本上是筆試。其題型主要有五種:貼經(jīng)(類似現(xiàn)在的填空)、墨義(一種簡單的問答題)、策問(一種政治論文性質(zhì)的問答)、論(寫論述文)、詩賦(作文考試)。明代中期以后，科舉考試發(fā)生了很大變化，程式嚴(yán)格的八股文成為經(jīng)義考試的主要形式，撰寫八股文成了封建士子進(jìn)身的主要途徑。
科舉的貼經(jīng)、墨義、策問、論、詩賦是考試形式的重大發(fā)展，也就是今天考試中填空、簡答、論述、作文等題型的雛型。
但是科舉制度有其天生的缺陷。
光緒三十一年（1905），在袁世凱與張之洞的奏請下，清庭正式廢除了科舉制度，從隋朝大業(yè)元年（605）的進(jìn)士科算起科舉整整綿延存在了1300周年。在這幾乎占據(jù)了中國兩千多年封建社會(huì)史五分之三和中國五千年文明史近三分之一的時(shí)間一千三百年里，科舉制度的考試形式上雖有過改進(jìn)與發(fā)展，但其內(nèi)容卻始終限定在儒家經(jīng)典這一狹隘的范圍內(nèi)而不可避免地陷入到僵腐的結(jié)局中，尤其到了明清時(shí)期的八股文，已經(jīng)僵化到了不可思議的程度。出題的范圍限定在圣人的那幾本書里，幾千場科考下來可能其中的每一句話都曾被用來出過題了，而且數(shù)百年里積累的大量范文、例文考生們都已耳熟能詳，逼得考官只能“劍走偏鋒”。例如清代有一屆科場題目為“時(shí)習(xí)之不”，這令人摸不著頭腦的四個(gè)字其實(shí)不過是出自《論語》的“學(xué)而時(shí)習(xí)之不亦說乎”，事關(guān)社稷存亡的官員選拔考試題目竟然變態(tài)到了這種程度，所帶來的后果是知識分子在經(jīng)史子集中無謂虛耗，進(jìn)而演化為全民性的蒙昧愚頓，直至被列強(qiáng)的鐵蹄踐踏淪為半殖民地。
中華文明在領(lǐng)跑世界幾千年后驟然衰落，被稱為“李約瑟現(xiàn)象”，業(yè)界研究結(jié)果一致公認(rèn)，冥頑不化偏離實(shí)際的科舉制度是導(dǎo)致李約瑟現(xiàn)象的重要原因。

第一章  先賢
如同把太極圖案與二進(jìn)制聯(lián)系在一起并導(dǎo)出計(jì)算機(jī)是由中國人發(fā)明的一樣，說老子的“大音希聲”是關(guān)于超聲波的最早文字記載，同樣屬于民族情結(jié)過于濃烈的牽強(qiáng)附會(huì)。但是中國古代的聲學(xué)成就卻并不輸于西方，聲學(xué)的研究起源于古人對樂律興趣，值得慶幸的是，作為六經(jīng)“詩書禮易樂春秋”之一的“樂”成為士大夫之流的一種“風(fēng)雅”而得以廣泛的研究。明朝沒落皇室成員朱載堉（1536～1614）發(fā)明的十二平均律無論在音樂史還是聲學(xué)史上都占有不可忽視的位置，春秋戰(zhàn)國時(shí)期的編鐘與北京天壇的回音壁、三音石、圓丘則是中國實(shí)用聲學(xué)的最佳例證。
中國古人對于聲音本質(zhì)的研究記載有很多，東漢時(shí)期的思想家王充（約27～99）在《論衡》中記載了聲音的產(chǎn)生機(jī)理及其傳播與媒質(zhì)的關(guān)系：“生人所以言語吁呼者，氣括口喉之中，張翕其口，故能成言。”而我國古代聲學(xué)的集大成者，當(dāng)推明朝的宋應(yīng)星。
宋應(yīng)星，江西奉新縣人。萬歷43年（1615），宋應(yīng)星和他的哥哥宋應(yīng)升同時(shí)考中舉人。于崇禎7年出任江西分宜縣教諭（相當(dāng)于今天的教委主任一職）。其間，宋應(yīng)星把他長期積累的生產(chǎn)技術(shù)等方面知識加以總結(jié)整理，編著了《天工開物》一書，于崇禎10年（1637）刊行。
在《天工開物》的《論氣·氣聲篇》中，宋應(yīng)星指出“氣體渾淪之物……沖之有聲焉，飛矢是也；振之有聲焉，彈弦是也”，明確提出聲波的概念。關(guān)于聲音的產(chǎn)生，他認(rèn)為是由于有形之物沖擊空氣使其振動(dòng)而發(fā)聲，這是世界上第一次將聲音的產(chǎn)生與振動(dòng)聯(lián)系在一起。
《天工開物》是一部大百科全書式的著作。分上、中、下3卷，又細(xì)分做18卷，內(nèi)容十分豐富，并有123幅精美生動(dòng)的插圖。上卷記載了谷物豆麻的栽培和加工方法，蠶絲棉苧的紡織和染色技術(shù)，以及制鹽、制糖工藝。中卷內(nèi)容包括磚瓦、陶瓷的制作，車船的建造，金屬的鑄鍛，煤炭、石灰、硫黃、白礬的開采和燒制，以及榨油、造紙方法等。下卷記述了金屬礦物的開采和冶煉，兵器的制造、顏料、酒曲的生產(chǎn)，以及珠玉的采集加工等。全書詳細(xì)地?cái)⑹隽烁鞣N農(nóng)作物和工業(yè)原料的種類、產(chǎn)地、生產(chǎn)技術(shù)和工藝裝備，以及一些生產(chǎn)組織經(jīng)驗(yàn)和大量確切的數(shù)據(jù)，是了解我國古代科學(xué)技術(shù)成就的重要文獻(xiàn)資料。
然而在經(jīng)過滿清將近三百年的統(tǒng)治之后，《天工開物》已經(jīng)徹底從中國銷聲匿跡，連知道這本書名字的人幾乎都沒有。民國初年，在北京各大圖書館均無法找到，甚至各藏書家也沒有一個(gè)人知道這本書。而當(dāng)時(shí)在日本圖書館卻竟然有這本書的英、俄、德、日、法等國的翻譯本，而且法國還有全譯本。據(jù)說當(dāng)年法國皇帝拿著這本書，如獲至寶愛不釋手，以致將它深藏于皇帝文庫中。具有諷刺意味的是，惟獨(dú)在中國已找不到這本書。按照法國國家圖書館藏的《天工開物》明朝的最初原刻本重刊后，《天工開物》才在中國又廣為印行，再見天日。與當(dāng)前電視劇作品中對康乾盛世的歌功頌德相悖的是，相當(dāng)多的學(xué)者認(rèn)為中國科技的大幅度落后正是始于清康熙朝，《天工開物》這部古代科學(xué)巨著的遭遇就是一個(gè)很好的例子。
作為封建時(shí)代罕見的喜好科學(xué)的帝王，康熙的學(xué)習(xí)科學(xué)更多是出于其個(gè)人興趣，更不可思議的是他很大的目的竟然是為了炫耀才學(xué)（尤其是在漢官面前），近年來甚至還有人根據(jù)故宮檔案中保存的康熙幾何演算草稿考證出他相當(dāng)于現(xiàn)在的大專文化水平。不過就在康熙進(jìn)行他“一個(gè)人的大學(xué)”時(shí)，西方科技發(fā)展已是轟轟烈烈一日千里，超聲檢測學(xué)的帷幕正在徐徐拉開。
也許我們每個(gè)人都曾經(jīng)問過一個(gè)相同的問題：天空為什么是藍(lán)色的？就在俺打下這行字時(shí)窗外恰好是萬里無云水洗過般的藍(lán)天。這個(gè)問題肯定困惑了我們的先祖幾千年，卻要等到19世紀(jì)中葉才會(huì)有正確的案——瑞利散射。1842年，斯特拉特出生在英國的一個(gè)貴族家庭，他的祖父被英國皇室策封為瑞利勛爵，這是一個(gè)世襲的爵位所以他將自然而然地成為瑞利勛爵第三。世襲制度下的子孫多有紈褲，比如法國的路易王朝與滿清的八旗子弟，但瑞利勛爵第三卻成為科學(xué)史上的巨人，后人習(xí)慣性地都將斯特拉特稱為瑞利。
1861年，他進(jìn)入劍橋大學(xué)的三一學(xué)院攻讀數(shù)學(xué)（劍橋三一學(xué)院最為著名的“神位”是盧卡遜數(shù)學(xué)教授，這一職位上的每一個(gè)名字都燁燁生輝振聾發(fā)聵：牛頓、狄喇克……現(xiàn)在擔(dān)任此職位的就是那個(gè)大名鼎鼎的霍金）。瑞利畢業(yè)后留校任教，開始的五年瑞利除了娶英國首任國務(wù)大臣的妹妹為妻外，似乎籍籍無名。1872年，他因嚴(yán)重的風(fēng)濕病不得不去埃及和希臘過冬，在地中海溫暖和煦的陽光下，瑞利開始寫作那部物理學(xué)上不朽的名著——《聲學(xué)原理》。這部上、下兩卷本的書一直寫了六年，直到1877年第一卷才初次出版。從17世紀(jì)初伽利略研究單擺周期和物體振動(dòng)開始，幾乎所有杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家都對研究物體的振動(dòng)和聲的產(chǎn)生原理做出過貢獻(xiàn)，而《聲學(xué)原理》集三百年的大量經(jīng)典聲學(xué)研究成果之大成，開創(chuàng)了現(xiàn)代聲學(xué)的先河，至今在理論分析工作中，還時(shí)常引用這兩卷巨著。清末民初的“西學(xué)東漸”運(yùn)動(dòng)中，《聲學(xué)原理》也被引入我國，成為中國現(xiàn)代物理學(xué)的一塊敲門磚。
自電磁學(xué)宗師麥克斯韋（James Clerk Maxwell  1831～1879）經(jīng)典的“關(guān)于電學(xué)的專題論文”開始，至居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電現(xiàn)象的這一段時(shí)期，被稱為電聲學(xué)的黃金時(shí)代。瑞利的《聲學(xué)原理》出版后，當(dāng)時(shí)科學(xué)界的評價(jià)是“此書是如此之權(quán)威，以至結(jié)束了聲學(xué)領(lǐng)域進(jìn)一步的科學(xué)探究” 。1879年，一手創(chuàng)立劍橋第一所物理實(shí)驗(yàn)室——卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的麥克斯韋辭世，空缺的實(shí)驗(yàn)室主任職位由瑞利繼任。在這個(gè)職位上，瑞利展示了他非凡才能的另一面，憑著對科研事業(yè)的極高熱情與全身心投入，他擴(kuò)大了招生人數(shù)，把原只有六、七個(gè)學(xué)生的小組發(fā)展為擁有七十多位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的先進(jìn)學(xué)派。與盧卡斯教授職位類似，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任的位置上也是精英會(huì)粹：1884年瑞利力排重議推薦年僅28歲的湯姆生（J.J. Thomson 1856～1940）接任實(shí)驗(yàn)室主任，湯姆生不負(fù)重托在這里發(fā)現(xiàn)了電子，榮獲1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。湯姆生的學(xué)生盧瑟福（Ernest Rutherford  1871～1937）接替湯姆生任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任后，還是在這里，利用a-射線發(fā)現(xiàn)了原子的“行星式”有核結(jié)構(gòu)，第一次打開了原子的大門，于1908年榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。盧瑟福培養(yǎng)了很多的學(xué)生，其中有量子物理學(xué)巨擎丹麥物理學(xué)家玻爾（Bohr Niels 1885～1962），發(fā)現(xiàn)了原子序數(shù)與它的X-射線波長間關(guān)系的莫斯萊，還培養(yǎng)了中國首位核物理學(xué)家霍秉權(quán)（1903～1988）。卡文迪許實(shí)驗(yàn)室在近當(dāng)代物理學(xué)界中有如少林武當(dāng)般的地位，瑞利功莫大焉。
書歸正傳，瑞利在超聲波領(lǐng)域做出了大量的早期貢獻(xiàn)。1882年瑞利設(shè)計(jì)了一種精確測定聲場中質(zhì)點(diǎn)速度的裝置瑞利盤（Rayleigh disk），是一個(gè)用細(xì)絲懸掛的剛性薄圓盤，圓盤的半徑r甚小于聲波的波長，在聲波的作用下，根據(jù)圓盤的偏轉(zhuǎn)角，圓盤的半徑、厚度和密度，媒質(zhì)的密度及懸掛系統(tǒng)的周期等，可算出質(zhì)點(diǎn)的速度和傳聲器表面處的聲壓，由此可絕對校準(zhǔn)傳聲器的聲壓靈敏度。1887年瑞利通過對地震學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)了瑞利波（Rayleigh wave 國內(nèi)習(xí)慣稱為表面波）。這種波在超聲檢測和表面波器件中起著顯著的作用，表面波器件廣泛應(yīng)用于音響、手機(jī)等設(shè)備，與前述居里兄弟在石英表中時(shí)刻陪伴我們一樣，就在你我接聽撥打每一個(gè)電話時(shí)，瑞利都會(huì)在天堂里微笑。

磨牙嚼舌：康熙與李約瑟
李約瑟（Joseph Needham 1900～1995），英國近代生物化學(xué)家和科學(xué)技術(shù)史專家。所著《中國的科學(xué)與文明》(即《中國科學(xué)技術(shù)史》)對現(xiàn)代中西文化交流影響深遠(yuǎn)。他關(guān)于中國科技停滯的李約瑟現(xiàn)象是李氏研究中國科學(xué)技術(shù)史的中心論題，他提出：盡管中國古代對人類科技發(fā)展做出了很多重要貢獻(xiàn)，但為什么科學(xué)和工業(yè)革命沒有在近代的中國發(fā)生？他個(gè)人見解是中國長久沒有發(fā)展，如腓尼基人和希臘人早期的城邦，缺乏要為生存而互相競爭的環(huán)境。李約瑟認(rèn)為科舉選拔制度下可以使中國非常有效地集中了大批聰明的、受過良好教育的人，他們的管理使得中國井然有序，并使中國發(fā)展了以整體理論，實(shí)用化研究方法的科技。比如中國古代天文學(xué)取得了很大成就，再比如大運(yùn)河的修建等。但這一模式使得新觀念很難被社會(huì)接受，新技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域幾乎是一片空白。
在西方，發(fā)展了以還原論，公式化研究方法的科技。此種科技的興起與商業(yè)階級的興起相聯(lián)系，鼓勵(lì)較強(qiáng)的技術(shù)開發(fā)競爭。在中國，反對此種科技的發(fā)展的阻力太大。西方式的科技發(fā)展卻能沖破這些阻力，取得現(xiàn)在的成就。比如歐洲國家之間的競爭使得歐洲在中國火藥的基礎(chǔ)上發(fā)明并改良火藥武器。李約瑟認(rèn)為在這方面，自秦朝以后的中國不但比不上相同時(shí)期的歐洲，甚至比不上春秋戰(zhàn)國時(shí)期的中國。
在視科技為奇技淫巧大背景下，難得有一位帝王對科技感興趣，清圣祖康熙卻是一個(gè)例外。康熙與同時(shí)代的另一西方帝王——路易十四有很多相似之處，他們同樣是幼年繼位、雄才大略，同樣具有了解世界的強(qiáng)烈愿望。1688年，在南懷仁的邀請下首批法國傳教士受路易十四派遣幾經(jīng)周折抵達(dá)北京，隨后得到康熙的接見。在這場意義深遠(yuǎn)的中法早期交流活動(dòng)中，首先登臺唱主角的就是科學(xué)。法國傳教士帶來了渾天器等共計(jì)大中小30箱科學(xué)儀器作為見面禮，喜好科學(xué)的康熙因此龍顏大悅。經(jīng)過挑選，傳教士中的張誠和白晉（漢名）被留在清朝宮廷之中，擔(dān)任康熙的科學(xué)顧問。相對于路易十四個(gè)人對芭蕾的癡迷，康熙對科學(xué)的興趣要濃烈得多，甚至于他的西方教師因他學(xué)習(xí)的勤奮而對他的健康表示擔(dān)心。然而今人扼腕的是，中法兩國卻就此走上了不同的道路。路易十四的法蘭西走上了近代化的強(qiáng)國之路，而大清帝國的一代明君圣主，千古一帝康熙，他除了要讓漢族大臣看到“他是個(gè)多么有能力有智慧的皇帝，滿人也并非‘蠻夷’”以外，對于科學(xué)的需求無非是“一部好的歷法，一張準(zhǔn)確的地圖，一套數(shù)學(xué)、天文學(xué)和韻律學(xué)的系統(tǒng)理論”，康熙或許認(rèn)為只要做到了這些———而不是超越別的國家———就能保證江山永固，但是他錯(cuò)了。康熙死后隨著主管科技的學(xué)者型皇三子允祉在權(quán)力斗爭中的失勢，清帝國史上絕好的一次機(jī)會(huì)也隨之消失，就此種下117年后鴉片戰(zhàn)爭的種子。

第二章  揭幕
我們先看到閃電再聽見雷聲并非是因?yàn)檠劬﹂L在耳朵前面，而是證明了聲音是以遠(yuǎn)低于光速的有限速度傳播。雖然測量聲速現(xiàn)在只是高中物理實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)普通要求，但是歷史上不同介質(zhì)內(nèi)聲速的測量則用了近百年的時(shí)間才得以完成。今天的中學(xué)生在聲速測量實(shí)驗(yàn)中可以在時(shí)差法、共振法和相位比較法中三選其一，而前輩們當(dāng)時(shí)所手中的武器注定他們只能采用時(shí)差法——利用聲與光的速度差或是不同介質(zhì)中的聲速差，所以在那個(gè)時(shí)代聲速測量的前提是需要先測定光速。
第一個(gè)試圖測量光速的人是偉大的伽利略(Galileo Galilei 1564～1642)，他選擇了一對相距4.8千米的小山想以時(shí)差法測量光速，很顯然以當(dāng)時(shí)的設(shè)備水平這一試驗(yàn)必然以失敗告終，在19世紀(jì)以前，沒有一個(gè)人在地面上成功地測量了光速。但伽利略本人并不知道他已在無意間提供了解決問題的正確途徑。
1610年伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)木星的4個(gè)衛(wèi)星。1676年，丹麥天文學(xué)家羅默（Ole Christensen Romer 1644～1710）第一次提出了有效的光速測量方法——利用木星衛(wèi)星的成蝕。惠更斯（Christian Huygens 1629～1695）根據(jù)羅邁提出的數(shù)據(jù)和地球的半徑，第一次計(jì)算出了光的傳播速度約為200000千米/秒，1728年，英國天文學(xué)家布拉德雷(Bradley James 1693～1762)得出光速為310000千米/秒。雖然準(zhǔn)確的光速測量需要等到邁克爾遜( Albert Abrham Michelson  1852 ～1931)在1882年才能完成，但已并不妨礙人們對聲音傳播速度的探索。
先來看看數(shù)學(xué)上的推導(dǎo)——牛頓（Isaac Newton 1642-1727）在1687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中推理：振動(dòng)物體要推動(dòng)鄰近媒質(zhì)，后者又推動(dòng)它的鄰近媒質(zhì)等等，經(jīng)過復(fù)雜而難懂的推導(dǎo)，求得聲速應(yīng)等于大氣壓與密度之比的二次方根。數(shù)學(xué)家歐拉（Euler 1707-1783）在1759年根據(jù)這個(gè)概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結(jié)果。但是據(jù)此算出的聲速只有288米／秒，與實(shí)驗(yàn)值相差很大。直到1816年，法國著名的數(shù)學(xué)家、力學(xué)家和天文學(xué)家拉普拉斯（Laplace 1749-1827）（即那個(gè)著名的物理學(xué)三大怪獸之一拉普拉斯智者的提出人）指出只有在空氣溫度不變時(shí)，牛頓對聲波傳導(dǎo)的推導(dǎo)才正確，而實(shí)際上在聲波傳播中空氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應(yīng)該是絕熱過程。因此，聲速的二次方應(yīng)是大氣壓乘以比熱容比(定壓比熱容與定容比熱容的比)與密度之比，據(jù)此算出聲速的理論值與實(shí)驗(yàn)值就完全一致了。
1738年巴黎科學(xué)院的卡西尼（Cassini 1625-1712）、羅默、惠更斯等人利用遠(yuǎn)外山峰上的火炮進(jìn)行時(shí)差法聲速測量，測得結(jié)果折合為0℃時(shí)空氣中的聲速為1172巴黎尺/秒（332米/秒），與目前最準(zhǔn)確的數(shù)值331.45米/秒誤差僅有0.15%，在這一數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，畢奧（Biot 1744-1860）在一根長鑄鐵筒的一端敲擊，聲音就通過金屬和空氣傳播到另一端，測出兩者的時(shí)間差，就可以計(jì)算出聲音在金屬中的傳播速度。他測出聲音在鐵中的傳播速度約為每秒3500米（今天我們知道畢奧測得的是鐵中橫波聲速）。
1826年春末，瑞士日內(nèi)瓦湖蔥翠欲滴楊柳依依，春日暖暖的陽光下游人如織，微風(fēng)輕拂下湖面泛著點(diǎn)點(diǎn)金鱗。兩個(gè)20出頭的年輕人歷經(jīng)艱辛攜帶著炸藥偷偷越過法瑞邊境來到湖邊。他們的古怪舉動(dòng)很快引起了人們的關(guān)注，在紛紛的議論聲中他們徑自帶著一些奇形怪狀的東西各自登上了一艘小船，其中的一條船上甚至還架設(shè)了一枝火槍。
這兩個(gè)怪人就是瑞士物理學(xué)家丹尼爾·科拉頓(Daniel Colladon 1802—1892)和法國數(shù)學(xué)家查理士·斯特姆(Charles Sturm 1803～1855)。
斯特姆的小船上帶著一根一端有2000平方厘米大的喇叭口的長管子。科拉頓的船頭上則架著火槍，并在船頭水下3米的地方用鏈索拴著一口高70厘米、重65千克的銅鐘。兩艘小船相距一定距離，斯特姆將長管放入水中，喇叭口對準(zhǔn)科拉頓船頭的方向，然后拿著秒表，把耳朵貼在長管子上端開口處，兩眼注視著科拉頓船頭上的火槍。一切準(zhǔn)備就緒，科拉頓拉動(dòng)了他那特制的杠桿。杠桿帶動(dòng)水中錘頭猛擊銅鐘的同時(shí)帶動(dòng)了火槍的扳機(jī)，即水下銅鐘鳴響與船上火槍噴火是一同進(jìn)行的，而火槍的噴火點(diǎn)燃了緊臨槍口處的一堆閃光燈專用炸藥。
當(dāng)時(shí)，人們已經(jīng)知道光是以每秒約30萬千米的速度在空氣中傳播，也知道聲音以每秒340米的速度在空氣中傳播。根據(jù)這兩個(gè)數(shù)據(jù)，斯特姆在看到閃光炸藥發(fā)出耀眼光芒的同時(shí)按下了秒表，可以說敲銅鐘與按秒表是同時(shí)進(jìn)行的。很快，斯特姆從長管中聽到了銅鐘的聲音。他按下了秒表。從這兩個(gè)時(shí)間差他算出了聲音在水中的傳播速度。經(jīng)多次校驗(yàn)，他們計(jì)算出聲音在水中的傳播速度為每秒1435米，自1490年達(dá)·芬奇(Leonardo da Vinci 1452-1519)發(fā)現(xiàn)了聲波在水中的傳播以后近400年，人類歷史上第一次水中聲速的測量獲得了成功。
值得注意的是，所有這些聲速的測量，都是在當(dāng)時(shí)的“聲學(xué)儀器”只有秒表和人耳的情況下完成的，這的確是相當(dāng)了不起的成績。相對于秒表而言，人耳已屬相當(dāng)精密的“儀器”——人耳能聽到的最低聲強(qiáng)約是10-16～10-14瓦/厘米2，古人對聽力下限的實(shí)際觀測的結(jié)果是“靜可聞針”，這一結(jié)果相當(dāng)符合事實(shí)，細(xì)針落地時(shí)的聲強(qiáng)僅約10-15瓦/厘米2，這一聲強(qiáng)在1000Hz時(shí)相應(yīng)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移僅僅是10-11米，只有空氣平均分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收實(shí)能力屬驚人。一些常“見”的聲強(qiáng)大致如下：
引起聽學(xué)的聲強(qiáng)    10-15瓦/厘米2
樹葉沙沙聲             10-15瓦/厘米2
耳語                         10-14瓦/厘米2
談話                         10-11瓦/厘米2
大炮聲                      10-6瓦/厘米2
超聲波                      10＋4瓦/厘米2
從震耳欲聾的大炮聲與超聲波相比仍差了十個(gè)數(shù)量級來看，人耳聽不到超聲波真是一種幸運(yùn)。人類很早就意識到，可能存在著人耳聽不到的“聲音”，但對人耳聽力極限的第一份科學(xué)推測出自于克拉尼（Chladni 1756-1827）。
1809年的一天，法皇拿破侖在宮廷中召見了一個(gè)據(jù)說“可以讓人看見聲音”來自德國的神秘人物。這個(gè)人默不做聲地在隨身帶來的一塊薄金屬平板上撒上細(xì)砂，然后用一把小提琴弓摩擦金屬板。奇跡出現(xiàn)了，砂子在振動(dòng)板的波節(jié)線上聚集起來形成了規(guī)則的圖形，這就是后來用來表示聲音特征的克拉尼圖。拿破侖看到后興奮異常，對眾人說“克拉尼的聲音被我看見了”，當(dāng)場獎(jiǎng)勵(lì)了克拉尼六千法郎，并要求將他的著作《聲學(xué)》翻譯成法文。“克拉尼圖”只是克拉尼在聲學(xué)領(lǐng)域做出的眾多貢獻(xiàn)之一，比如在1817年克拉尼就指出了人的聽覺所能聽到的聲音的最高頻率為每秒二萬二千次（22000赫茲）。
其實(shí)超聲波廣泛存在于自然界和日常生活中，如老鼠、海豚的叫聲中含有超聲成分，蝙蝠利用超聲導(dǎo)航和覓食，金屬片撞擊和小孔漏氣也能發(fā)出超聲。與動(dòng)物相比，人類的聽覺有點(diǎn)可憐，狗和蝙蝠是可以聽到高到160000赫茲的動(dòng)物代表，而鯨和大象則處于聲音波譜的另一端，它們可以發(fā)出并聽到頻率在15到35赫茲范圍內(nèi)的聲音。
今天科學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果證明人類的聽力范圍是20～20000赫茲，振動(dòng)頻率低于20赫茲的聲波被稱為次聲波，而高于20000赫茲的聲音，那就是本文的主角——超聲波。
1830年，法國物理學(xué)家薩伐爾(Felix Savart 1791-1841)制作了一個(gè)高轉(zhuǎn)速齒輪，用以撥動(dòng)一片金屬片而產(chǎn)生了高達(dá)24000赫茲的超聲波，這一演示音調(diào)和頻率關(guān)系的裝置在今天的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課上被稱為發(fā)音齒輪或薩伐爾盤。從前面的章節(jié)我們已經(jīng)知道，在電聲學(xué)時(shí)代之前，聲學(xué)觀測儀器僅僅只是精巧但相對簡陋的人耳，因此探測高頻聲波是相當(dāng)困難的一件事，直至丁鐸爾（John Tyndall 1820—1893）觀測到聲波對燃?xì)饣鹧娴挠绊懖⑵浒l(fā)展為一種敏感的探測方法后，對超聲波的研究才算是得門而入。
宋應(yīng)星、克拉尼、瑞利、居里兄弟……經(jīng)過一代代科學(xué)家薪火相傳執(zhí)著不息地追求，超聲學(xué)的研究已在物理學(xué)的大殿里登堂入室。接下來，觸發(fā)實(shí)用超聲學(xué)的不幸事件即將上演，而超聲學(xué)也將要走出理論的殿堂來履行其福祉眾生的使命。

磨牙嚼舌：物理學(xué)四大怪物
物理學(xué)史上有四個(gè)著名的悖論，即芝諾的烏龜、拉普拉斯的智者、麥克斯韋的精靈和薛定諤的貓。由于它們都借助于某種奇異的生物來表述，所以被統(tǒng)稱為物理學(xué)三大怪物。
芝諾的烏龜嚴(yán)格說起來更應(yīng)該算是哲學(xué)悖論，為了證明運(yùn)動(dòng)是不可能的，芝諾編了好幾個(gè)著名的悖論來說明運(yùn)動(dòng)的荒謬性。而最有名的就是“阿喀琉斯追龜辯”：阿喀琉斯是史詩《伊利亞特》里的希臘英雄（布拉德皮特近期在好萊塢大片中為我們詮釋了這個(gè)人物），他奔跑的速度是烏龜?shù)?0倍，假設(shè)他與烏龜相距100米，當(dāng)他跑到烏龜現(xiàn)在這個(gè)位置，也就是跑了100米的時(shí)候，烏龜也已經(jīng)又向前跑了10米。當(dāng)他再追到這個(gè)位置的時(shí)候，烏龜又向前跑了1米，再追1米，又跑了1/10米……總之，他只能無限地接近烏龜，但永遠(yuǎn)也不能追上烏龜。芝諾的烏龜令人困擾的地方，就在于它采用了一種無限分割空間的辦法，使得我們無法跳過這個(gè)無限去談問題。
拉普拉斯則為我們假設(shè)了一位智者，他能知道在任一給定時(shí)刻作用于自然界的所有的力以及構(gòu)成世界的一切物體的位置。假定這位智者的智慧高超到有能力對所有這些數(shù)據(jù)做出分析處理，那么它就能將宇宙中最大的天體和最小的原子的運(yùn)動(dòng)包容到一個(gè)公式中。對于這個(gè)智者來說，再?zèng)]有什么事物是不確定的了，過去和未來都?xì)v歷在目地呈現(xiàn)在它的面前。直到二十世紀(jì)初期量子物理學(xué)的發(fā)展才宣告了這名智者不可能存在。
麥克斯韋精靈則試圖動(dòng)搖熱力學(xué)第二定律，即“不可能從單一熱源取熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響”。麥克斯韋的精靈可以精確區(qū)分運(yùn)動(dòng)速度不同的分子，并控制其運(yùn)動(dòng)方向，讓高速運(yùn)動(dòng)的分子集中在一起而在沒有外部做功的情況下使這一區(qū)域的溫度升高。這為我們描繪了一個(gè)奇異的畫面：在大海中航行的船只無需任何能源，只需由麥克斯韋精靈將海水中運(yùn)動(dòng)速度快的分子提取出來使之沸騰產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)即可。
薛定諤的貓?jiān)谖锢韺W(xué)界引發(fā)的動(dòng)蕩與爭議遠(yuǎn)比前三個(gè)怪物要大得多，甚至還發(fā)展出了“薛定諤的朋友”等多個(gè)拓展版本。其基本闡述為“設(shè)想有一個(gè)箱子，里面有一只活貓。一個(gè)裝有鐳的容器及一個(gè)裝有氰化物的小瓶也放在箱子之中。鐳原子會(huì)發(fā)生衰變。在這個(gè)裝有活貓的密閉的箱子里，如果鐳發(fā)生衰變，幾打碎瓶子，使氰化物從小瓶之中釋放出來，從而殺死貓；如果鐳不發(fā)生衰變，小瓶也不會(huì)破碎，貓會(huì)活下去。按照哥本哈根解釋，在打開箱子看貓的死活之前，貓既是死的，也是活的，因?yàn)閮煞N可能性都存在。而且，箱子中的貓會(huì)保持這種既死又活的狀態(tài)，直到有人打開箱子，發(fā)現(xiàn)貓要么是死的，要么是活的為止。” 這只 “既死又活”的貓讓量子物理學(xué)家們坐臥不寧，霍金對此發(fā)表的評論是“每當(dāng)聽到薛定諤的貓時(shí)，就忍不住要去拿槍”。

第三章  Titanic
觸發(fā)實(shí)用超事學(xué)的悲劇性事件位列人類十大災(zāi)難的前列。對這一事件的種種猜測與假設(shè)到今天也仍未停止，其中甚至包括相當(dāng)離奇的木乃伊詛咒說。根據(jù)這一事件衍生出許多文學(xué)作品，俺個(gè)人印象較深的有排名1984年全美暢銷書榜首的那本構(gòu)思精巧將美蘇爭霸與尖端聲學(xué)聯(lián)系在一起的《北海沉船》，當(dāng)然也少不了那部榮獲第69屆奧斯卡最佳影片等11項(xiàng)大獎(jiǎng)的《泰坦尼克》。
1912年4月10日，被稱為“世界工業(yè)史上奇跡”的“永不沉沒”的“泰坦尼克號”從英國南安普頓出發(fā)駛往美國紐約開始其處女航。15日23時(shí)40分，載著1316名乘客和891名船員的豪華巨輪在與冰山相撞繼而沉沒，1500人葬生海底，造成了在和平時(shí)期最嚴(yán)重的一次航海事故，也是迄今為止最著名的一次。
泰坦尼克事件之后，召開了第一屆海上生命安全國際大會(huì)，大會(huì)制定了海上船舶安全法則，對救生艇的數(shù)量，水密倉的設(shè)計(jì)等等都做出了規(guī)定。還提出應(yīng)研制用于發(fā)現(xiàn)冰山等水下障礙物的新設(shè)備，以替代使用了十幾個(gè)世紀(jì)的古老觀測設(shè)備——肉眼。
泰坦尼克的悲劇發(fā)生僅僅5天后，一個(gè)叫瑞查得森的人就向英國專利局申請了用在空氣中傳播的聲音回聲定位的專利，一個(gè)月后，又申請了同樣的在水下的專利，不過瑞查得森窮其一生也沒能將這些專利轉(zhuǎn)換為實(shí)用設(shè)備，看起來似乎更像是紙上談兵。真正的突破是在1914年由美國波士頓潛水艇信號公司（現(xiàn)在是Raytheon公司的一部分）的瑞格納德·Ａ·泰森德（Reginald A. Tessenden）完成并在美國獲得的專利。泰森德的裝置是一個(gè)540～1100Hz的低頻發(fā)聲裝置，它能探測到水下二米外冰山的回聲，這一裝置仍然相當(dāng)粗糙，而且還不能精確測定方向。不過接下來的驚天之變將會(huì)推波助瀾地將其完善。
1914年6月28日上午10時(shí)，薩拉熱窩。一枚炸彈扔向了正在薩市巡視的奧匈帝國皇儲(chǔ)弗蘭茨·斐迪南的座車，斐迪南機(jī)敏的司機(jī)緊急加速躲過一劫，緊跟其后的第二輛車上一名隨行軍官被炸身亡。  在逮補(bǔ)了刺客查卜林諾維奇后，王儲(chǔ)示意繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，他并不知道懷藏手槍的17歲中學(xué)生加·普林西波早已在下一個(gè)街角等候已久。
加·普林西波干凈利落地干掉了斐迪南夫婦，這就是著名的“薩拉熱窩事件”，第一次世界大戰(zhàn)的烽火就此而起。大洋深處，也就此產(chǎn)生了一種遠(yuǎn)比冰山更為危險(xiǎn)的水下障礙物——潛艇。
對冰山探測的研究迅速轉(zhuǎn)移到如何發(fā)現(xiàn)潛艇上，一位年青的俄裔電氣工程師切洛瓦斯基（M. Constantin  Chilowsky）于1915年在提出了一個(gè)全新的利用回波測距探測潛艇的提案，幸運(yùn)的是這一提案被提交到時(shí)任法國科學(xué)院首席科學(xué)家的朗之萬手上。由于朗之萬當(dāng)時(shí)在磁學(xué)、電離學(xué)和相對論方面的卓越貢獻(xiàn)而聲名顯赫，因此在朗之萬的倡導(dǎo)下這一提案迅速得以轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)。不久之后，朗之萬與切洛瓦斯基就合作開發(fā)出了一套可以接收到150米遠(yuǎn)處1平方米面積靶板的回波。在切洛瓦斯基因故退出合作后，郎之萬對這套設(shè)備加以改進(jìn)，隨著法國高頻真空管放大器技術(shù)的進(jìn)步，他改用石英晶體作為聲發(fā)生器與接收器，探測到了6公里遠(yuǎn)處的目標(biāo)，潛艇的天敵、今天在科研軍事民用范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的水底探測技術(shù)——聲納，終于妝畢出閣。
在前面的章節(jié)我們已經(jīng)看到超聲波的聲強(qiáng)遠(yuǎn)大于可聞聲波，因此能量十分驚人。在朗之萬的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中描述到：“放在聲源附近聲束中的魚被立即殺死，實(shí)驗(yàn)人員將手插入這一區(qū)域中有一種痛苦的感覺。”與人耳可聞聲波相比較，一個(gè)600瓦/厘米2的超聲波發(fā)生器可以在10分種內(nèi)燒開一壺水，其能量相當(dāng)于700萬人集中在一起講話1.5小時(shí)所釋放的能量總合，我國北方常見的加濕器就是利用了超聲波強(qiáng)大的能量而瞬間將水霧化。
廿世紀(jì)二十年代，超聲技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用除了水下探測系統(tǒng)外，在其他領(lǐng)域也得以迅速發(fā)展。超聲波被應(yīng)用于空化、加熱、乳化和浮動(dòng)等多個(gè)方面，1929年，前蘇聯(lián)科學(xué)家索科夫（S.Y.Sokolov 1897～?）提出利用超聲波良好穿透性來檢測不透明體內(nèi)部缺陷，工業(yè)無損檢測的新紀(jì)元就此開始。
1940年，密歇根大學(xué)的法爾斯通教授（Floyd Firestone）提交了一種采用超聲波脈沖反射法的檢測裝置的專利申請，使超聲波無損檢測成為一種實(shí)用技術(shù)。很快，超聲檢測技術(shù)又被應(yīng)用于非工業(yè)方面，甚至用來測量豬背上脂肪的厚度以確定其出欄時(shí)間。相對于工業(yè)超聲應(yīng)用，遲至1946年，法爾斯通將超聲反射法用以探測疾病后，超聲在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用得以起步。我國的超聲應(yīng)用探索始于1958年，同年12月上海首先使用脈沖式A型超聲探傷儀，開始進(jìn)行醫(yī)學(xué)探測，并分析和解釋了其回聲圖。出于可以想見的原因，今天超聲波在醫(yī)學(xué)上的發(fā)展遠(yuǎn)較工業(yè)上更為尖端與普及，例如工業(yè)超聲當(dāng)前炙手可熱的相控陣技術(shù)早已在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用，相信每個(gè)讀者也都曾見證過B超這一常規(guī)醫(yī)學(xué)檢測手段。

磨牙嚼舌：朗之萬與居里夫人
首先要聲明的是，這段磨牙嚼舌對朗之萬和居里夫人絕無半點(diǎn)不敬，居里夫人的名言“科學(xué)活動(dòng)與私人生活無必然聯(lián)系”即是針對朗之萬事件而發(fā)。
由于法國科學(xué)院歧視女性和排斥外國人1910年居里夫人競選科學(xué)院院士失敗，接踵而至的是生活丑聞。朗之萬的夫人公開了瑪麗居里與其丈夫的信件，并鬧至滿城風(fēng)雨。考慮到時(shí)代背景，當(dāng)時(shí)結(jié)了婚的法國有錢男人有一個(gè)情婦的現(xiàn)象是比較普遍的，是丈夫的一種特權(quán)。只要他的情婦不拋頭露面，這個(gè)男人就不會(huì)受到處罰。而居里夫人不是一個(gè)匿名的情婦，不是一個(gè)有著謙卑血統(tǒng)要感激被有錢男人留在身邊的女人。她是一個(gè)有著自己的事業(yè)、有著自己的收入、有著自己的抱負(fù)的女人。這使得她成為一個(gè)嫉妒和仇恨的目標(biāo)，其他人要曝光與羞辱她。又因?yàn)楝旣悺ぞ永锶绱擞忻手f的吃醋的妻子能夠用向公眾曝光來威脅她。這就使得居里夫人與朗之萬夫婦的三角關(guān)系變得獨(dú)一無二，而居里夫人沒有理智地考慮到這一點(diǎn)。朗之萬的命運(yùn)卻截然不同，后來，在妻子的默許下，朗之萬有了另一個(gè)情婦。但是這次他選擇了一個(gè)能被接受的類型的女人：她是一個(gè)無名的秘書。
科學(xué)家也同常人一樣有著七情六欲，例如2001年度諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)得主英國人奈保爾在獲獎(jiǎng)致詞中竟然對一些“性工作者”表示感謝，因?yàn)樗麤]有時(shí)間和精力與更體面的女士談戀愛。而物理學(xué)界最出名的“花心”人物莫過于薛定諤，其一生與多名女性有過感情糾葛。其中一個(gè)神秘的女人于1925年初開始陪伴在他左右，使得他在接下來的12個(gè)月里令人驚異地始終維持著一種極富創(chuàng)造力和洞察力的狀態(tài)，并接連不斷地發(fā)表了六篇關(guān)于量子力學(xué)的主要論文，近來百老匯還以這段軼聞編撰了一出名為《薛定諤的情人》的話劇。
必須一提的是郎之萬是一個(gè)頗具正義感的物理學(xué)家，九一八事變后，國民政府寄望國聯(lián)出面進(jìn)行干涉，得到的回應(yīng)卻是列強(qiáng)們無聲無為。郎之萬進(jìn)行了各種聲援中國的活動(dòng)，并批評了國際聯(lián)盟對日本侵略者的縱容。在第二次世界大戰(zhàn)期間，他堅(jiān)決反對法西斯，反對侵略，為此曾被德國占領(lǐng)軍逮捕入獄，和法西斯進(jìn)行了嚴(yán)正的斗爭。

第四章  尾聲
自朗之萬至法爾斯通，應(yīng)用超聲學(xué)的大廈拔地而起，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)更加拓展了其應(yīng)用范圍，不過時(shí)至今天，超聲波的常用激勵(lì)方式仍是基于居里兄弟1880年發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)。雖然隨著科技的進(jìn)步，電磁、激光等新的激勵(lì)手段已經(jīng)出現(xiàn)，但由于存在種種現(xiàn)階段尚不能解決的不足而未在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)得以應(yīng)用。在這棟大廈里仍舊是壓電材料一統(tǒng)天下，雖然天然的單晶壓電材料如石英在鋯鈦酸鉛等多晶人工復(fù)合材料的擠迫下逐漸退出歷史舞臺。
近年來，為了物質(zhì)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究的需要，超聲波的產(chǎn)生和接收還在向更高頻率(1012赫以上)發(fā)展。例如在媒質(zhì)端面直接蒸發(fā)或?yàn)R射上壓電薄膜或磁致伸縮的鐵磁性薄膜，就可獲得數(shù)百兆赫直至幾萬兆赫的超聲；利用凹型的微波諧振腔，可在石英棒內(nèi)獲得幾萬兆赫的超聲。此外，用熱脈沖、半導(dǎo)體雪崩、超導(dǎo)結(jié)、光子與聲子的相互作用等方法，產(chǎn)生或接收更高頻率的超聲。
隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，目前已正在逐步接近點(diǎn)陣熱振動(dòng)的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能來研究原子間的相互作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點(diǎn)陣振動(dòng)的相互關(guān)系及點(diǎn)陣振動(dòng)各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門新分支學(xué)科──量子聲學(xué)也正在形成。
超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時(shí)，超聲學(xué)的發(fā)展又為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超聲探傷和超聲成像技術(shù)都是借鑒了雷達(dá)的原理和技術(shù)而發(fā)展起來的，而超聲的發(fā)展又為電子學(xué)、光電子學(xué)、雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展提供了超聲延遲線、濾波器、卷積器、聲光調(diào)制器等重要的體波和表面波器件。
對于工業(yè)無損檢測而言，二十世紀(jì)六十年代以來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，幾乎給每一個(gè)行業(yè)都帶來了革命性的影響，超聲檢測也不例外。1983年德國KK公司推出了世界上第一臺便攜式數(shù)字化超聲波探傷儀USDI型，采用了Z80作CPU，雖然其整機(jī)重量較重（約10Kg），體積較大，功能也一般，但其自動(dòng)可設(shè)置的DAC曲線，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和打印功能已顯示出數(shù)字化超聲波探傷儀強(qiáng)大的生命力。1986年后，世界上各工業(yè)國家的數(shù)字化超聲波探傷儀得到了迅速發(fā)展，我國自1989-90年中科院武漢物理所研制成功的國內(nèi)第一臺數(shù)字化超聲波探傷儀KS1010型，自后數(shù)字化超聲波探傷儀的發(fā)展也較快，經(jīng)歷了十幾年的發(fā)展，目前新一代的產(chǎn)品向小型化和多功能方向進(jìn)一步發(fā)展。經(jīng)過數(shù)百年間科學(xué)家們薪火相傳的努力，今天超聲波具有極為廣泛的應(yīng)用，它可以用來清洗鐘表一類的精密零件，甚至用來清洗大型的導(dǎo)彈殼體與核反應(yīng)堆里的熱交換器；它可用于鉆孔，切割堅(jiān)硬的物體；它能使兩種不能混的液體混合起來；還可用來為食物殺菌。利用超聲波可以制成超聲雷達(dá)，對海洋的開發(fā)和利用具有重要意義。超聲波還用于金屬探傷和處理植物種子等等等等。但是，超聲學(xué)仍是一門年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲應(yīng)用的機(jī)理還未徹底了解，況且實(shí)踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)仍在不斷向前發(fā)展。一如永無疆界的科學(xué)求索，超聲波更多的發(fā)展與應(yīng)用還有待科學(xué)家們的探索和開發(fā)。
讓我們拭目以待。

跋
我一直在為下面的這些文字應(yīng)該作序還是跋而困惑了很久，一如我一直在猶豫是否應(yīng)在上面的文字中引入一些聲學(xué)的基本原理與公式。
與大多數(shù)生于70年代的兄弟姐妹一樣，我們的科普起源于《十萬個(gè)為什么》，而科幻起源于葉永烈的《小靈通漫游未來》和儒勒·凡爾納。科普書籍的可讀性與趣味性無疑是其生存的根基，許多中外作者都在這方面做出了諸多嘗試，例如蓋莫夫的《物理世界奇遇記》和梁衡的《數(shù)理化通俗演義》。我曾經(jīng)一直認(rèn)為近年來獨(dú)執(zhí)牛耳的科普作品莫過于霍金的《時(shí)間簡史》，直至有一天偶然讀到那部在網(wǎng)上風(fēng)行的《上帝擲骰子嗎——量子物理史話》。這部長達(dá)25萬字的網(wǎng)文對我的影響是極其深遠(yuǎn)的，正是它促成了我的這篇粗淺文字。我絕不敢將自己這篇亂七八遭的東西與之相提并論，但還是有意無意間偷偷地崇拜地或多或少地對其風(fēng)格甚至架構(gòu)進(jìn)行了仿效，例如我文中“磨牙嚼舌”的章節(jié)就是對其“飯后閑談”的露骨模仿。
有句老話叫“隔行如隔山”，在講求整合的今天似乎不再合時(shí)宜。我想如果每個(gè)人都可以將其從事的行業(yè)寫些簡單的介紹性文字，那就是這些“山”間的“橋梁”。

參考文獻(xiàn)：
《美國無損檢測手冊超聲卷》世界圖書出版社
《超聲波探傷》中國鍋爐壓力容器安全雜志社
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