宇宙大爆炸的声音我们听得到吗?

嘘!宇宙轻声爆炸了

宇宙大爆炸的声音我们听得到吗?答案是否定的,因为声波是机械波,声音传播需要介质,而真空中没有这种介质,所以宇宙大爆炸是没有声音的。如果我们非常有幸地亲临宇宙大爆炸的现场,也只能看到异常耀眼的光芒,而听不到任何声响。

那么,如果当时宇宙中有传播声音的介质,能让我们听到宇宙大爆炸的声音,那么这个声音有多大呢?

这个声音计算起来比较复杂,而要研究这个声音,还得从宇宙大爆炸的遗迹——宇宙微波背景入手。科学家根据天文望远镜收集到的最新数据资料,对宇宙微波背景的温度变化进行了分析(宇宙诞生40万年至76万年发出的辐射),并将这种变化加入计算机软件中,模拟出了大爆炸的声音,最终估算出宇宙大爆炸的声响大约在100分贝~120分贝之间。这个声音就相当于我们站在开启的电锯旁,或者站在离喷气式发动机100米远的地方听到的声音。虽然已经接近人耳的痛阈值(人耳开始感到疼痛的声音称为痛阈,其声级为120分贝),但是和我们想象的那种巨大爆炸的声响很不一样。

可能很多人会很诧异,那么巨大的爆炸居然只有这么点大的声音?其实这已经不小了,因为当时宇宙可不像我们想象的那么大,而是极小极小,比原子、电子还要小许多。这么小的宇宙爆炸,能产生那么大的响声,已经够大的了。并且随着宇宙的急剧膨胀,它的波长被急速拉长,使我们“听”到的声音变得很低。而且早期宇宙的爆炸波要穿过密度较大的时空介质,如果这个爆炸波转化成声音,就像被敲响的钟那样低沉。

传说之外的“狮吼功”

说完了宇宙大爆炸的声音,我们再来说说传说中的狮吼功。

在一些武侠影视剧中,某些武林高手能发出威力强大的狮吼功。巨大的声响像风一样席卷尘土,横扫在场的所有人,桌子、椅子等各种物品被损毁自不必说了,只有内功深厚的人能扛得住,那些小喽啰们根本不堪一击,被震得七窍流血而死……这些其实只是文艺作品的夸张描写或民间传说,现实中并没有科学的佐证。

但是传说之外,人的声音也确实有它的威力,比如,一位俄罗斯的女孩能发出超过100分贝的声音,这个声音比火车开动的声音还大,以至于把录音棚里的声音记录软件都震瘫痪了。有人还对着一个玻璃杯大吼,结果,玻璃杯碎了。这其中的原因大家都很熟悉——共振。

就拿玻璃来说。首先,每块玻璃都有一个天然的共振频率,你敲一下大小不一样的玻璃杯,你就会发现,它们的声音高低是不一样的。如果声波的频率与之相同,就可能使玻璃的震荡加大幅度,最后就有可能把玻璃震碎。

其次,声音强度要很大。声音很大,对玻璃施加的压力也就大,因此对玻璃的“攻击”力度就大,玻璃就更容易“受伤”。就像一队士兵在桥上齐步走一样,士兵越多,齐步走产生的强度也越大,就使桥产生的共振更强烈,最后有可能使桥塌陷。

第三,玻璃本身有缺陷。每件物品的表面都遍布着我们看不到的裂纹,它们是最薄弱的地方,受到声波“袭击”时,它们会成为突破点,首先裂开。这就是为什么声波也能把物体震碎、震倒的原因了。

声波的共振也能使人体器官受伤。人体各器官的固有频率大约在3~17赫兹之间,如果振动频率与这个频率很相近,并且强度很大,那么就会引起共振,致使器官损伤。

20赫兹以下是一般人们听不到的次声波,次声波的频率与人体各器官的固有频率相近,有可能会对人造成伤害。次声波武器就是利用了次声波的这一特点来制造的。在日常生活中,比如雷电所产生的次声波就能置人于死地,这样的例子并不少:2009年夏天,余杭的一个小女孩就死于雷电产生的次声波。2007年的一天,重庆一个施工队的工棚内5人也死于雷电产生的次声波……

解剖“声音”

平常我们怎么衡量声音大小的呢?这就涉及到声音的强度。用来度量声音强度的分贝,其中“分”指的是十分之一,而“贝”指的是贝尔,1贝尔等于10分贝。和0℃一样,0分贝是声响的一个分界标准,它指的是听力正常的人可能听到的最小的声音,这个声音相当于一只在3米开外飞的蚊子制造的声响。而实际上,很多人都听不到这个声音,所以我们也不必追求超级听力,只要能听到25分贝左右的声音,听力都属正常的。分贝越高,声音就越大。一般来说,人耳能承受的最大限度是120分贝。

与声音有关的除了我们常说的强度之外,最常见的还有频率、振幅。

先说频率。声音的频率就是1秒内声音振动的次数,1秒内振动1次为1赫兹,振动100次为100赫兹。人耳听觉的频率范围约为20~20000赫兹,低于20赫兹为次声波,高于20000赫兹为超声波。次声波和超声波我们人耳是听不到的。

声音的频率决定声音的高低。频率越高,则声音的音调越高,频率越低,则声音的音调越低。它一般和声音的强度没有关系。但高频率声音会对我们产生不适的感觉——粉笔划黑板的吱吱声、女人的尖叫声等等。

再说振幅。振幅就是物体振动的大小幅度。振幅和声音的强度有关,振幅大,强度就大。大钟振动的幅度比小钟大,所以声音就大。我们用过音响就会知道,音箱越大,音量就越大,因为大音箱可以产生大的振幅。

另外,声音的强度与距离有关,这就不多说了。

最后还得说一下传播介质。在文章的开头我们说到,在真空中,声音是无法传播的,即使是宇宙大爆炸那样的“巨响”,我们都听不到,这是因为声音的传播需要介质。

传播介质影响声音的传播速度。相同的声音,在不同介质中传播时速度不同。一般来说,声音在固体中的传播速度大于在液体中,在液体中的传播速度大于在气体中。比如在空气中,声音传播速度大约是340米每秒左右,而在水中传播速度是1500米每秒。也就是说,同样的声音在水中比在空气中传播得更远。如果是水结成冰,传播速度会快1倍,达到3230米每秒。所以古代人把耳朵贴在地面上,就可以听到远处兵马行动的声音,这是因为地面传播声音要比空气传播得更快、更远。把耳朵贴在铁轨上,可以听到远处的火车隆隆声,因为钢铁中声音传播速度在5200米每秒以上。

声音具有能量

这里还有一个有意思的问题,声音具有能量吗?由于产生声音会消耗能量,所以根据能量守恒定律,声音也具有能量。那么声音有多少能量呢?

如果换算起来的话,0分贝的能量大约是1.85×10-15焦耳,而70分贝时的能量是1.86×10-6焦耳;当达到120分贝时,能量为1.81×10-2焦耳;即使是最厉害的核弹,产生的能量大约为2.1×1017焦耳,其爆炸的声响大约是301分贝左右。这类爆炸能震碎离爆炸中心2000千米之外的玻璃窗。这是什么概念呢?我们可以简单比较一下,一度电(即1千瓦·时的电量)的能量相当于3.6×106焦耳,那么1度电能做什么呢?1度电能供给9瓦的节能灯连续照明100小时以上;能让一辆功率为200瓦、时速20千米的电动自行车充足电之后,跑上100千米;还足够让20台电脑运转1小时。而美国一年的总用电量的能量相当于1.4×1019焦耳。

用我们平常说话的声音杀不死人,但是声音是有能量的,所以声音才有一定的破坏力,这大概就是传说中“狮吼功”具有杀伤力的根源吧。