第5章　漣漪的故事—從水波到無線網路

浪花


　　去海灘上玩的時候，誰也不會長時間背對大海，否則就會感覺很不對勁。我們不願錯過壯麗的海景，希望看到起伏的海浪。海水不知疲倦地拍打海岸，這景象總會讓人莫名地感到心安，大海與陸地的交界在這個過程中不斷變化。
　　住在加州拉荷亞海灘附近的時候，漫長的一天結束後，我最享受的事情就是沿著海灘漫步，坐在岩石上欣賞夕陽下的海浪。只要離開岸邊100公尺，海浪的起伏就已變得輕柔綿長，幾乎算得上波瀾不興。離海岸線越近，浪頭就越高越猛，最後幾乎是惡狠狠地砸在沙灘上。每一波海浪都是全新的，這樣的景象我可以不厭其煩地看上好幾個小時。
　　我們都認識波浪，但真要描述它的話，似乎又不那麼容易。海岸邊的波浪是水面上一串串起伏不定的「凸起」，它們翻湧不息，從一個地方湧向另一個地方。我們可以觀察兩道海浪之間的距離和浪峰本身的高度，藉此來描述這些波的特徵。小的水波是你想把茶吹涼時激起的漣漪，而大的水波足以蓋過一艘船。
　　不過，所有波浪都擁有一個奇怪的特徵，在拉荷亞，鵜鶘讓我們清晰地看到了這一點。拉荷亞的海岸邊生活著大量褐鵜鶘，這些鳥兒的外形頗具古風，讓人不由得懷疑它們是從幾百萬年前穿越蟲洞飛到這裡來的。褐鵜鶘的喙長得驚人，而且總是緊貼身體折疊起來。人們常常看見這些奇怪的鳥兒在海浪上空，沿著和海岸平行的方向飛翔，有時候它們還會收起翅膀降落到海面上。有趣的地方就在這裡：儘管鵜鶘腳下的波浪永不停歇地湧向海邊，它們的身體卻會一直停留在原來的位置。
　　下次去海邊欣賞滾滾而來的浪花時，你不妨仔細觀察一下海面上的海鳥。1快活的鳥兒隨著浪潮的波動在海面上起起伏伏，儘管海浪來了又去，海鳥的位置卻不會挪動分毫。2這個現象告訴我們，形成波浪的海水其實停留在原地沒有動過。運動的是波浪，而不是形成波的「物質」——水。波不可能是靜態的，它本質上是介質形態的變化，所以波總在運動。波攜帶能量(水形成波，然後恢復原狀，這兩種過程都需要消耗能量)，但不會攜帶「物質」。波能夠傳輸能量，有週期性變化。坐在海邊凝望海浪會讓我覺得心曠神怡，這也是原因之一：我能看到海浪攜帶著能量不知疲倦地湧向岸邊，但水本身卻亙古不變。
　　波有很多種，但無論哪種波都符合一些基本的原理。海豚發出的聲波、石子激起的水波和遙遠恆星釋放的波有很多共通之處。近年來，我們漸漸不再滿足於接受自然界的波，轉而開始嘗試自己製造複雜而精妙的波，將我們的文明中散落的各種元素連綴起來。不過，人類有意識地利用波來鞏固文化聯繫並不是什麼新鮮事。早在幾百年前，有人就在大洋中做過這種嘗試。
　　國王在大海上衝浪，這一幕聽起來像是某個怪夢裡的片段。但在250年前的夏威夷，國王、王后、酋長都擁有自己的衝浪板，皇家成員在這項國民運動上的實力彰顯著統治者的威嚴。窄長的歐羅衝浪板(Olo)專屬於貴族，平民只能用更短、更易操縱的阿拉亞板(Alaia)。當地人常常舉行衝浪大賽，比賽中的戲劇性事件為夏威夷諸多傳說故事提供了素材。3在一座被蔚藍深海環繞的熱帶島嶼上，構建以水上運動為核心的文化聽起來順理成章，而夏威夷的衝浪先驅們還擁有另一個優越條件：得天獨厚的海浪。這座小島坐落在廣袤大洋的中央，位置剛剛好。夏威夷島從地質和物理兩個層面過濾掉了大洋的複雜水文環境，形成了可供國王和王后愉快衝浪的完美海域。
　　夏威夷人望著無風無浪的平靜海面，祈禱適合駕馭的中等海浪快快到來；與此同時，數千公里外的另一片大洋景色卻截然不同。猛烈的風暴拍打著海面，激盪的能量推動海水上升形成巨浪。風暴中的波浪非常複雜，它們的波長(兩道波峰之間的距離)有長有短，運動的方向也各不相同。這些海浪不斷破碎、重構，時時刻刻互相推擠撕扯。在緯度約為45°的區域，冬季風暴十分常見，所以在北半球的冬天，風暴常常會在夏威夷以北的海域肆虐。而在南半球的冬天，夏威夷也是風暴望而卻步的邊界。
　　但海浪不會止步，就算風暴已經平息，海面也沒那麼容易平靜下來，起伏的海浪越過風暴邊緣，傳向遠處寧靜的海域。在這裡，奇妙的事情發生了。看似雜亂無章的浪潮漸漸露出了本質——它們絕非全無規律的一片混沌，而是疊加到一起的各不相同的波。波長較長的海浪傳播速度快，把波長較短的兄弟們遠遠地甩在了後面。但它們在途中也需要付出代價，能量會慢慢散入周圍的環境中。海浪的波長越短，每前進1公里需要付出的代價就越大。波長較短的海浪不僅跑不快，還會失去能量，所以很快就會徹底消失。風暴結束幾天之後，海浪傳到數千公里以外，只有長波殘留了下來。它們有規律地輕柔起伏，來到了這顆星球的各個地方。
　　因此，夏威夷的第一個優勢在於，它遠離主要的風暴區，大部分海浪傳到這裡時都只剩下輕柔和緩的長波。第二個優勢是，太平洋很深，夏威夷群島的火山又很陡峭，海浪在廣袤的洋麵上毫無阻礙地傳播，最後一頭撞上群島周圍陡峭的斜坡。接下來，原本散布在深水中的能量陡然集中到淺水中，海浪必然會變得更高。在離海灘很近的地方，動作遲緩的怪獸卯足力氣，變身成激盪的大浪，義無反顧地撲向完美的沙灘。就在這些海浪拍碎在沙灘上的時候，國王和王后準備好了衝浪板。
　　水波大概是絕大多數人認識的第一種波。我們都知道鴨子是如何在水波中嬉戲的，容易思考和理解其中的物理學知識。波有無數種，都遵循一些共同的規律。每一道波都有一定的波長，即相鄰波峰之間的長度。因為波總在運動，所以它還擁有頻率，也就是一秒內循環(從波峰到波谷再到波峰)的次數。除此以外，所有波都擁有速度，某些波(例如水波)的傳播速度與波長有關。大多數波都在這個問題上讓我們困惑：我們看不到波動的到底是什麼？比如，在空氣中傳播的聲音是一種壓縮波，在這裡，聲波傳遞的不是「形」，而是「力」。最難想像的波其實是最常見的光波，它和電磁場聯繫密切。我們雖然看不到電和磁，但卻能看到無處不在的光波造成的各種效果。4
　　波之所以這麼有趣而實用，原因之一是，它常常為傳播環境發生改變。被我們看到、聽到、探測到的每一道波都是一座訊息的寶藏，藏著它的來處，還有它途經的地方。這些訊息可以由幾個相對簡潔的參數來表示。在波的傳播中，最常見的三件事是反射、折射和吸收。





銀色鯡魚和杯中硬幣


　　在超市裡路過魚類櫃檯的時候，你不妨看看他們都賣哪些魚。映入你眼簾的很可能是一片閃閃的銀光，只有少數幾種例外：紅鰹魚和紅鯛魚之類的熱帶魚，還有龍利魚和比目魚之類的底棲魚類。不過，魚類櫃檯的貨品主要是開放海域中成群游蕩的那些物種，包括鯡魚、沙丁魚和鯖魚。
　　銀色的有趣之處在於，它實際上不是一種顏色，人們只是用這個詞來形容某些物體的反光效果。所有波都能被反射，而且幾乎所有材料都會反射一些光。銀色的特殊之處在於，它會無差別地反射所有光，不管光的顏色如何。拋光的金屬很擅長這樣無差別的反射，這種特性相當實用。光的入射角和反射角相等。去看看鏡子裡的世界，你會發現一切都是真實世界的等比例左右顛倒。這正是因為一切投到鏡子上的光全都以同樣的角度反射了出去。
　　金屬拋光很難達到這樣的效果，所以鏡子在人類歷史上曾是昂貴的奢侈品。而魚天生就是銀色的，這是為什麼呢？魚甚至無法利用金屬。要呈現出銀色，它們必須用生物分子構建出全反射表面。這項工作相當複雜，所以在演化中也必然是個昂貴的選項。如果你是一條鯡魚，你為什麼要費這個勁呢？
　　鯡魚在海裡成群結隊地游蕩，捕食蝦之類的小型生物，同時躲避各式各樣的大型食肉動物，比如海豚、鮪魚、鱈魚、鯨和海獅。但海洋如此遼闊而空曠，有時候你根本無處躲藏。唯一的辦法是「隱身」，或者藉助自然條件盡可能地偽裝自己。既然如此，魚能不能變成大海的藍色？問題是，不同時間的光線和水裡的物質都會影響海水的顏色，海水的藍色實際上總在變。而為了保命，鯡魚必須時時刻刻融入周圍的背景。所以它們把自己變成了游動的鏡子，因為無論是在魚群的前方還是後方，大海總是一樣空曠。這些魚能反射90％的光，就像高品質的鋁鏡一樣。反射的光波會傳到潛在掠食者的眼睛裡，這就是鯡魚的光盾。
　　不過很多時候，光並不會發生完美的全反射。更常見的情況是，某件物體只會反射一部分光。要是你想分辨兩件並排放置的物品，這一點就很有用了。那個反射藍光的是我的茶杯，而反射紅光的是我妹妹的杯子。反射什麼光由反射面決定。不過，波在遇到分界線時不僅僅會發生反射，折射會以一種更微妙的方式改變光的傳播路徑。
　　夏威夷女王佇立在懸崖上俯視海濱、欣賞海浪的時候，她也許會發現，儘管翻湧的海浪來自四面八方，可是當它們到達海灘的時候，幾乎所有海浪都變得平行於海岸了。無論海灘朝向何方，絕不會有側著撞上來的海浪。這是因為水波的速度取決於水的深度，較深處的波傳播速度更快。想像一片長而直的海灘遇上了一道微微向左傾斜的波浪。右側的波峰離岸較遠，處在更深的大海中，所以傳播的速度更快。很快右側海浪就會追上左邊的夥伴，整道海浪在傳向岸邊的過程中順時針轉動了一點。等到海浪在沙灘上拍碎的時候，它已經完全平行於海岸了。通過改變部分區域的波峰相對於其餘部分的運動速度，我們可以調整波的傳播方向，這就是折射。
　　改變水波的速度還比較容易想像，那光波呢？物理學家們總愛念叨「光速」，光的傳播速度快得不可思議，這個參數在愛因斯坦最著名的遺產——狹義相對論和廣義相對論——中占據著舉足輕重的地位。科學界花費了很大力氣才讓人們逐漸接受了「光速恆定」這個精妙的概念。要是我現在告訴你，實際上你這輩子從沒有見過真正以「光速」傳播的光，那我就成了派對上的掃興鬼。就連水也會拖慢光速，你可以自己用硬幣和杯子來證明。
　　將硬幣平放在杯底靠近你自己的那一側，然後慢慢移動身子，直到在你的視線中硬幣被杯子邊緣遮住。現在你看不到硬幣，因為光沿直線傳播。在這個角度，硬幣反射的光線被杯壁遮擋，無法進入你的眼睛。接下來，不要移動你的頭，也不要移動杯子，請你的搭檔往杯子裡注水。你會發現，隨著水位的上升，硬幣慢慢重新出現在你眼前。硬幣沒有移動，但它反射的光在水中改變了方向，進入了你的眼睛。
　　這個實驗直觀地展示了在水中減緩的光速。等到光重新進入空氣，它的速度又會加快，光波在穿越水和空氣的分界面時會偏折一個角度，這種現象我們稱之為「折射」。能夠折射光線的不僅僅是水，任何介質都會不同程度地拖慢光速。我們平時說的「光速」實際上指的是光在真空中傳播的速度，水會讓光速下降到真空光速的75％，對於玻璃而言，這個數字是66％，而光在鑽石中的傳播速度只有最高速度的41％。光速下降得越多，它在該介質與空氣的分界面上偏折的角度就越大。鑽石比其他大多數寶石閃亮得多，因為它們的折射率遠高於其他石頭。5正是因為有了光的折射，你才能真正地看到玻璃、水和鑽石。這些材料本身是透明的，所以你無法直接看到它們。你看到的是它們反射的光和背景的差異，只是大腦把它闡釋成「你看到了這件透明的物品」。
　　能看到鑽石當然不錯，對於那些花大錢買鑽石的人來說，這一點尤其重要。不過，折射帶來的不僅僅是美。了解折射之後，人類磨製了透鏡，而透鏡打開了科學界另一片廣闊天地，人們有了研究微生物和細胞的顯微鏡、探索宇宙的望遠鏡，還有能將細節永久保存下來的攝影機。如果光波始終以真空光速傳播，那麼這些東西都將不復存在。
　　我們生活的世界裡充盈著光波，這些波不斷發生反射和折射，在傳播過程中減速、加速。就像風暴中陷入混沌的海面一樣，不同的光波彼此交疊，在我們周圍向四面八方傳播。但是我們的眼睛會進行挑選，屏蔽一部分，留下一部分，再由大腦進行解釋和演繹，最後形成視覺。站在懸崖上的夏威夷女王利用光波眺望水波，這兩種波背後的物理學原理完全相同。





大海的顏色、雷電和烤麵包機


　　只要光進入你的眼睛讓你看到了東西，那麼它是折射而來還是反射而來的就根本無關緊要。但是，要是這些光根本沒有進入你的眼睛呢？
　　生活中有這麼一件古怪的小事：要是你給孩子幾支蠟筆，讓他們畫一幅水從龍頭裡湧出來的畫，那麼他們畫出來的水總是藍色的。但實際上，誰也沒見過水龍頭裡流出藍色的水。自來水是無色透明的。要是你家的自來水有顏色，那你最好請水管工來看看。如果你真的看到水龍頭裡流出了藍色的水，那你肯定不會喝它。但孩子們畫出來的水卻總是藍的。
　　在衛星拍攝的地球照片上，海洋總是一片湛藍。這並不是因為海水含鹽，冰川頂上融化的冰水也會形成湖泊，這些湖裡完全沒有鹽，但它們看起來依然是深邃的藍色，簡直像是有人在冰裡加了藍色的食用色素。但是，等到這些水順著冰川流下來，和其他融化的冰水混合起來形成細流的時候，它又變成無色的了。決定顏色的不是水的成分，而是水的多少。
　　射向水面的光波要嘛被反射回天空中，要嘛穿透水面傳向深處。可是有時候，水裡的某些物質，甚至水本身都會阻礙光的傳播，讓光波發生折射。如果同一束光波被折射的次數夠多，那麼它可能會繞一個大圈子，最終回到空氣裡。在這漫長的旅程中，水會過濾光。來自太陽的光有多種不同的波長，它包含著彩虹的所有顏色。但水會吸收光，而且對不同顏色的光吸收率各不相同。最先消失的是紅光。大部分紅光只能傳到水下幾公尺，往下走幾十公尺，黃光和綠光也會相繼消失，但藍光很難被水吸收，它能在水中傳播很長距離。因此，光在海洋中傳播時，最後留下來的大部分是藍光。自來水之所以是透明的，是因為水量不夠多，不足以讓我們看到吸收率的差別。其實自來水的確呈現了某種顏色，這一點和世界上所有的水相同。但這種顏色很淡很淡。你需要大量的水，才能看出光波從中穿過造成的區別。6當你真正看到的時候，那景象的確十分壯麗，你會發現，鮮豔的藍色蠟筆的確是最正確的選擇。但你永遠無法從水龍頭裡發現這個祕密。
　　波在傳播過程中可能會被介質吸收。這個損耗的過程非常緩慢，能量一點一滴地流失，損失的大小取決於波的類型和波長。如此巨大的變數意味著波能做很多事情，也能告訴我們很多東西。雷暴是我最喜歡的大氣現象，從雷暴中我們不難觀察到這類反差。
　　震撼天地的雷暴提醒著我們，空氣絕不僅僅是天空中看不見的填充物。我們的大氣中充滿了巨量的水和能量。通常情況下，這些頗有分量的東西只會緩慢而平和地轉移。但是，如果舒緩平和的調節已經無法讓大氣恢復平衡，天空中就會出現黑壓壓的積雨雲。地面附近輕盈的濕暖空氣向上推擠冷空氣，為後者注入大量能量，戲劇性的變化就此開始。灼熱潮濕的空氣在雲海中快速上升，攪動高處的大氣，形成雨滴。最戲劇性的地方在於，這樣的攪動會導致帶電粒子分離，然後這些粒子又被分配到雲層的不同區域。帶電粒子不斷聚集，直至強大的電流撕裂附近的雲層，甚至直接劈向大地，讓地面帶走多餘的電荷。每道閃電的持續時間不足百萬分之一秒，但雷聲卻會經久不息地在天地間迴盪。我喜歡電閃雷鳴，不光是因為它們壯麗，也是因為它們揭開了大氣運動的祕密。雷暴看起來似乎十分矛盾：閃電耀眼而短暫，雷鳴卻低沉而悠長，不過無論是閃電還是雷鳴都展現了波的多姿多彩。
　　閃電一閃即逝，在大氣中產生一條過熱通道，從雷暴雲通向地面，或者通往另一朵雲。通道中充滿了能量，在藍白色閃電劃過的剎那，溫度可達50000℃。耀眼的光亮飛速向外擴張，占領整個地平線，但由於傳播速度極快，所以這光在下一個瞬間就會消失。但閃電產生的高溫會讓周圍的空氣迅速膨脹。如此產生了一種強大的波，緊跟著光波在空氣中如漣漪般盪開，但它的傳播速度就慢得多了。這些漣漪形成的聲波就是我們聽到的雷鳴。我們之所以知道閃電的存在，是因為它製造出了光波和聲波。
　　波傳遞的是能量，它不一定需要空氣、水或者其他任何介質，這一點非常重要。這意味著波能夠輕鬆地在這個世界上傳播，對其他事物產生影響，帶來有趣或有用的結果，卻不一定會推擠我們周圍的物品，造成嚴重損傷。閃電會釋放大量的能量，光波和聲波會將其中一部分能量分享出去，傳遞到其他地方。在聲波的傳遞過程中，就連空氣也不會離開原地太遠，只有能量一路飛馳向前。光和聲音是不同類型的波，但它們遵循同樣的物理學原理。光和聲音都可能被傳播介質改變。打雷的時候，你可以直接聽到聲波的變化。
　　我最喜歡待在離閃電大約1600公尺的地方。看到閃電劃過，我就會開始想像壓力產生的巨大漣漪正在向我湧來。望著遠方，我彷彿真的可以看到這陣陣漣漪，但第一聲雷鳴還要再過幾秒鐘才會傳到我耳邊。這些聲波傳播的速度大約是340公尺／秒，這意味著它們需要4.7秒才能跑過1600公尺的距離。第一聲炸雷聽起來和撕裂天地的閃電十分相稱。但雷鳴真正特別的地方在於，我不會只聽到一聲炸雷，接著第二聲在更高一點的地方炸響。兩道聲波原本完全一樣，但高處的聲音之所以會慢一點，是因為它需要經過更長的路徑才能傳播到我的耳朵裡。低沉的雷鳴連綿不絕，這實際上是同一道閃電從不同高度發來的聲波。
　　如果說1600公尺外的第一聲炸雷需要5秒鐘才能傳到我身邊，那麼比它高1600公尺的聲波很可能要多花一兩秒。不同的炸雷在誕生之初幾乎完全相同，只是位置不同。這意味著我能聽見大氣介質如何改變這些聲波。越晚到達的雷聲來自越遠的地方。第一聲炸雷音調最高，消失得也最快，因為高頻波很容易被大氣吸收，但低頻波卻會迴盪很長時間。隨著時間的流逝，這些波傳得越來越遠，整體聲調也變得越來越低沉，因為最高的聲調已經被空氣吸收了，而最低的聲調卻會一直保留下來。如果你離閃電足夠遠，那麼所有聲波都會被空氣吸收，你不會聽到任何聲音。但閃電傳播的距離要遠得多，因為光波的性質不同，它們的傳播不需要藉助空氣。不過，光雖然不太容易被空氣吸收，但會被其他因素影響。
　　從某種意義上說，波非常簡單。它們誕生後總會傳向某個地方，而且無論是聲波、光波還是海浪，所有波都能被介質反射、折射或吸收。波的洪流錯綜複雜，我們生活於其中，透過波來感知周圍的世界。我們的眼睛和耳朵適應了中間地帶的波段，而這些波攜帶著兩種非常重要的「乘客」：能量和訊息。
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　　陰鬱寒冷的冬天，麵包是最完美的食物。唯一的問題在於，這樣的喜悅需要花費一點時間去獲取。通常我會先燒水準備泡茶，接下來把麵包放進烤麵包機，然後開始在廚房裡不耐煩地來回踱步，等待一切就緒。洗完一兩個杯子並且清理乾淨操作檯以後，我總會發現自己目不轉睛地盯著烤麵包機，檢查它的工作情況。
　　烤麵包機的美妙之處在於，你可以直觀地看到它在做什麼，因為它的加熱組件會發出紅光。這些組件不光會加熱周圍的空氣，還會輻射光。這些光相當於內建的溫度指示彩燈，你可以透過光的顏色來判斷加熱組件的溫度。明亮的紅光意味著烤麵包機內部達到了1000℃，這個溫度真的很高——足以熔化鋁或銀。這裡隱藏著宇宙運轉的規律。特定溫度範圍內的物質會發出同樣的光，光的顏色不同，溫度就不同。如果你在炭火中發現了鮮豔的黃色，那麼它的溫度大約是2700℃，而溫度達到4000℃以上，物體就會呈現白熾的顏色。仔細想想，你會好奇顏色和溫度有什麼關係。
　　盯著烤麵包機的時候，我看到了能量從熱轉化為光。宇宙中有一條簡潔優雅的法則：任何溫度高於絕對零度的物體總在不斷地將自身的部分能量轉化為光波。光必然會傳播出去，所以能量也會隨之流失。燒紅的加熱組件將自己的部分能量轉化成紅色的光波，在彩虹光譜上，它位於波長最長的那一端。事實上，加熱組件釋放更多的是紅外線。紅外線和可見光也談不上天差地別，它的波長更長而已。我們只能以間接的方式得知紅外線的存在，比如感受到紅外線的加熱效果。雖然我們看不見紅外線，但它對烤麵包機來說非常重要——麵包加熱靠的主要就是紅外線。
　　高溫物體放出的光有一定的波長範圍。溫度不同，發光波長範圍不同，發出的所有光裡最亮的那一種光也會不同。每一個具體溫度都會在某一段波長上發出最亮的光。其他的光，波長和最亮的光越接近就越明亮。如果以波長為橫軸，以光亮程度為縱軸，那麼在溫度確定的情況下，繪製出的圖就像一座山峰。不用說，最亮的光就是山頂，其他的光則在山坡上。
　　對於烤麵包機而言，山頂在紅外區，紅光在近旁的山坡上。我們看不見紅外線，但是可以看到紅光。
　　如果我擁有一臺能達到更高溫度(比如2500℃)的超級烤麵包機，那麼它的加熱組件看起來應該是黃色的。因為物體的溫度越高，就會釋放越多的短波長光，包含更多顏色(紅色、橙色、黃色，還有一點綠色)。而這些光混合在一起，看起來就是黃色的。在這裡，溫度和光的顏色之間有著明確的對應關係。要是溫度進一步上升——假設某種終極烤麵包機能達到4000℃——那麼它釋放的光就應該包含彩虹的所有顏色，從紅色一直到藍色都有。這些顏色混合起來，我們就看到了白色。因此，發出白熾光的高溫物體實際上釋放了彩虹的顏色，只不過幾種顏色都混在了一起。這臺終極烤麵包機的缺陷在於，幾乎所有材料都無法承受這樣的高溫，它一定能在最短的時間裡把麵包烤得焦黃，卻也會同時毀掉廚房。
　　可以說，烤麵包機也是一種光波製造機。你看到的紅光就是它通過溫度製造出來的一部分波，而你看不見的紅外線加熱了麵包。你會發現，麵包只有表面一層變成了棕黃色，因為接觸並吸收紅外線並因此升溫的只有這一層。我在等待的時候喜歡盯著烤麵包機看，因為我總會想到它釋放的那些看不見的波。我知道它們在那裡，因為紅光洩露了它們的行跡。
　　不過，這種製造波的方式也有缺陷。通過這種方式得到的光波其實是多種波長的混合光，你不可能只要其中的一部分，而不要其他的。無論是煤炭、熔化的鋼鐵還是別的什麼東西，在1500℃左右必然會發出某種橙色光。你可以通過顏色來猜測物體的溫度，只要它熱得足以讓你看到顏色。太陽的表面溫度大約是5500℃，所以陽光是白色的。事實上，正是這個原因，我們才能看見夜空中的恆星。恆星的溫度很高，它們發出的光能跨越宇宙傳到我們的眼睛裡，我們可以通過恆星的顏色來推測它的表面溫度。
　　我們人類也有顏色，因為我們都擁有體溫。這種顏色我們看不見，但能被特殊波段的紅外攝影機拍到。我們的溫度比烤麵包機低得多，但我們也會發光。我們釋放的光波波長通常是可見光的10～20倍。每個人都是一盞紅外線燈泡，這些光就來自我們的體溫。貓、狗、袋鼠、河馬——所有動物也都會發光。任何高於絕對零度(—273℃，這個溫度低得可怕)的物體都是一個燈泡，只不過物體的溫度越低，釋放的光波長就越長，甚至比紅外線還長，進入了微波的範圍。7
　　我們時刻沐浴在各式各樣的波之中，有看得見的，也有看不見的。太陽、我們自己的身體、我們周圍的世界以及我們創造的技術都在不斷地釋放光波。聲波也同樣多姿多彩，有高音，有低音，有蝙蝠用來捕獵的超音波，還有幫助大象偵測天氣的次聲波。最棒的是，所有這些波可以在同一個房間裡傳播，不會彼此干擾。無論屋子裡是漆黑一片還是閃爍著迪斯可舞池的迷幻燈光，聲波都不會受到任何影響，而鋼琴演奏會和哭鬧不休的嬰兒也不會影響光波。我們睜開眼睛，豎起耳朵，就能接收到所有波，只不過我們會從波的洪流中提取、挑選最有用的一小部分。
　　可是，該挑選哪些波呢？最新款的自動駕駛汽車和森林裡掙扎求生的動物肯定會給出不同的答案。周圍環境中的訊息幾乎無窮多，你可以只挑選那些對你幫助最大的波。藍鯨和海豚基本上聽不見彼此的聲音，就算看到穿著潛水服的你，它們也不會大驚小怪。





海豚和「鐵達尼號」


　　加利福尼亞灣沿著墨西哥西海岸延伸，這是一處至少橫跨1000公里的海洋天堂，南端直通太平洋。兩岸漆黑嶙峋的山峰直指天空，守衛著藍色的海峽。海洋物種跨越大洋長途遷徙，來到這裡覓食、休憩。漁民乘著小船在海峽中漂流，享受著這份寧靜。這片海域之所以如此太平，是因為這裡的海浪非常平緩，波瀾較少。白天的陽光照耀著藍色的大海和光滑的礁石，天地間你只能聽到層層疊疊的濤聲和浪花拍打小船的水聲。靈巧纖細的海豚躍出水面，短暫地打破平靜，然後嘩啦一聲回到藏著熱鬧景象的大海中。海底深處，嘈雜的生態系統正在有條不紊地運行。
　　海豚下潛時會發出高頻的哨聲，以此與身後的夥伴交流。等到海豚群重新聚集起來，這片海域立即就會響起一陣陣清脆的滴答聲。海豚可以用前額發出這種尖銳短促的聲波，它碰到周圍的物體就會回彈。回聲通過頜骨傳進海豚的耳朵，這樣一來，海豚就能根據聲波判斷周圍的環境了。哨聲、滴答聲和啁啾聲組成一片喧囂，就像繁忙街道上的聲音。
　　海豚就這樣在移動中借用聲波進行交流。在海面上換氣、嬉戲之後，海豚群會潛回深海狩獵。海面上無處不在的光波在深海裡變得極其罕見。因為水吸收光的速度極快，所以深海居民難以透過光來獲取訊息。海豚的眼睛在水面上下都能工作，但對於從光波中提取哪些訊息，它們在演化中做出了選擇。海豚完全不會分辨顏色——要是在你生活的環境裡，所有顏色看起來都差不多，那為什麼還要費力去分辨呢？海豚的世界是藍色的，但它們自己卻永遠不會知道。海豚看不見藍色，在它們眼裡，海洋世界漆黑一片。但它們能看到銀色的魚從身邊經過時閃光的鱗片，這就已經足夠。
　　海面就像《愛麗絲漫遊仙境》裡的鏡子，它隔開了兩個世界，但二者可以互通。聲波在海面上很容易反彈，所以空氣中的聲音很難傳到海裡，而海裡的聲音也很難傳到空氣中。光和聲音都能在空氣中輕鬆地傳播。而在海裡，光很快就會被吸收，聲波卻能迅速高效地傳播。要是你想研究海洋環境，那就得好好利用聲波。光波在海裡沒有太大用處，除非你要觀察的東西離你很近，而且就在海面下一點點。
　　海底世界的聲音非常豐富。海豚發出的聲音頻率極高，部分聲音的頻率甚至是我們聽覺極限的10倍。這意味著它們的回聲系統能夠探測前方物品的形狀細節。但高頻聲波傳播的距離比較短，所以海豚群吵吵嚷嚷的聲音根本傳不到海峽對面。有些聲音傳播的距離比海豚的叫聲遠得多，比如遙遠船隻低沉的汽笛聲，海面飛濺的浪花激起氣泡的聲音，鼓蝦發出的酷似爆米花的劈啪聲，還有海豚根本無法聽見的低沉哼鳴。這哼鳴聲周而復始，因為十幾公里外，一頭藍鯨正在呼喊，它的叫聲在海中迴盪。鯨沒有回聲系統，它不需要高頻音，它需要讓聲音傳播得盡可能遠，這意味著它的音調必須保持低沉，即波長更長。長聲波能夠跨越漫長的距離，鯨需要的正是這樣的通信工具。這些鯨聽不見海豚發出的叫聲，海豚也聽不到鯨歌。但這些波都由海水承載，不同生物可以從這訊息的洪流中提取自己需要的片段。
　　海裡也藏著光波和聲波的洪流，不過這裡的情況與空氣中截然不同。聲音是海底世界的王者，鯨和海豚都是色盲，光波的細節對它們來說不重要。
　　不過，大氣和海洋也有相似之處。長聲波在水下傳得遠，長光波在空氣中也傳得遠。在一百多年前，人類剛剛學會如何跨越數千公里傳遞訊息。因為我們生活在空氣中，所以不能用聲波來完成這項任務，我們的遠距離通信靠的是光。這麼長的光波被稱為「無線電波」，起初，無線電技術最重要的用途是跨洋通信。如果當年某些船隻更加重視無線電信號，「鐵達尼號」或許根本不會沉沒。
　　1912年4月15日，午夜剛過，來自北大西洋數個站點的無線電波開始如漣漪般向外循環擴散。這些信號有些零散，漣漪越向外擴散，信號就越弱。某些站點收到了這些信號，於是繼續向下傳遞。最強的信號來自加拿大紐芬蘭以南650公里處的一座站點，傑克·菲利普斯(Jack Phillips)利用功率最大的船用無線電發射器發出了求救廣播——全世界最大的郵輪「鐵達尼號」正在沉沒。傑克在巨輪頂層的甲板上，用架設在煙囪之間的天線發送脈衝信號，天線將信號向外傳播，其他船隻的無線電操作員可以解碼這些電波，破譯出其中攜帶的訊息。
　　無線電波之所以能用於通信，是因為這種波不是只在某一條線上傳播，而是如漣漪般向外擴散。你不需要知道信號接收者的具體位置，同一道波可以被多個不同的站點獲得。「卡帕西亞號」(Carpathia)、「波羅的海號」(Baltic)、「奧林匹克號」(Olympic)和幾百公里內的其他船隻都能探測到「鐵達尼號」發出的脈衝。這些脈衝攜帶的訊息或許容量有限、含義模糊，但這是人類歷史最早的跨洋通信應用。
　　無線電技術的誕生徹底改變了航運業。要是在20年前，「鐵達尼號」只能孤獨地沉入海底，它失事的消息可能要等到一兩週後才會傳開。在此之前10年，人類才第一次完成了跨越大西洋的無線電信號傳輸。不過在那個夜晚，黑暗中一圈圈擴散的波讓附近的所有船隻在第一時間得知了這艘巨輪的悲劇。這些斷斷續續的脈衝並不是隨機的。擴散的漣漪有獨特的模式，每種模式都攜帶著發送者寫入的訊息，光速跨越大洋。它象徵著人類通信史上一場宏大的革命，翻湧的信號揭開了無線電時代的大幕。
　　「鐵達尼號」失事之所以這麼出名，原因之一是它正好發生在這個新時代的風口浪尖。這次事故展現了無線電的巨大潛力。「鐵達尼號」沉沒兩個小時後，「卡帕西亞號」及時抵達現場，挽救了很多生命。但我們看到，當時的無線電系統還非常簡陋，實用程度有限。訊息的傳遞十分低效，而且「鐵達尼號」此前本該收到冰山預警信號的，可是珍貴的信號被瑣碎的常規信號干擾了。更重要的是，以最直接的方式發送無線電波時，信號很容易混淆。發送者和接收者沒有明確的標識，訊息可能無法正確傳遞，甚至根本無處送達。要利用這些波來傳遞訊息，你需要進行某種標準化的加工，好讓所有接收者清楚地理解這些波的意義。然而，那時的船用無線電系統實際上只是一種開關，開開關關組成信號，實在談不上多麼標準、多麼明確。雪上加霜的是，所有電臺用的都是一個頻道。
　　那天晚上，大洋上方不是只有無線電波。「鐵達尼號」還發射了求救信號彈，附近的「加州人號」(Californian)也曾試圖用發射可見光的莫氏信號燈與它通信。但是，可見光不會比無線電波傳得遠，這是大氣決定的。上層大氣(電離層)會像鏡子一樣反射一部分無線電波。來自「鐵達尼號」的無線電信號不是簡單地擴散了出去，一部分進入電離層的無線電波會回到下面。要知道，地球表面是彎曲的，信號的發送者和接收者甚至很可能不在一條水平線上，大氣層幫助無線電波解決了這個問題，讓它可以折折返返地跨越海洋。可見光就沒有這樣的優待了。
　　傑克·菲利普斯繼續向空中發射無線電脈衝，向所有傾聽者廣播這艘巨輪的位置，直到無線電發報室被海水淹沒。他沒能逃過這場劫難，但長距離通信救活了船上的另外706位乘員(乘員總數是2223人)。這些倖存者見證了這個世界從完全沒有無線電到看不見的通信電波無處不在的歷史進程。現在，地球上幾乎已經不存在沒有無線電波的角落，人類文明之間的聯繫從未像今天這樣緊密。





燈光密碼


　　光波支持著我們的世界，它承載的殘餘太陽能雖然微不足道，卻驅動著我們的星球。光是我們和宇宙之間的聯絡員。在20世紀，我們的文明開始試著與電磁波譜上的所有波建立新的關係。我們曾是被動的接受者，只能心懷感激地接收光波無意間帶來的能量和訊息，但是現在我們開始有意識地製造、使用光。對光的熟練應用開啟了新世界的大門，我們由此掌握了觀察世界的多種技術。現在我們幾乎可以把訊息即時傳遞給每一個活著的人，就在此時此刻，只要有一部手機，你就可以跟世界上的任何一個人通話。
　　不過，要從波的洪流中得到有用的訊息，首先你得想個辦法把它分離提取出來。幸運的是，波自身提供了答案，你不需要專業的工具包也能完成這個任務。
　　田納西州的大霧山景色壯觀，深綠色的森林覆蓋著起伏的山谷和山峰。那裡的森林人跡罕至，格外安寧。要進入大霧山的林地，我們必須開車經過桃莉·巴頓(Dolly Parton)的故鄉。我當然聽說過這位偉大的鄉村歌手，但桃莉塢公園的熱鬧景象依然讓我措手不及。這座龐大的公園以田納西、鄉村音樂和遊樂場為主題，不過，最閃亮的主角當然還是桃莉。以公園為中心，粉紅色的牛仔帽、裝飾華麗的吉他、隨處傳唱的鄉村音樂、茂密的金髮、復古牛仔外套和南方式的熱情好客已經滲透了周圍的城鎮。在這樣的環境中，晚餐後來杯波本威士忌就是最重要的事，儘管我私心裡更喜歡牛仔帽。第二天，我們又在大煙山裡見到了另一番景象。
　　人們帶著折疊躺椅和攜帶式冰箱進入山間，靜靜地欣賞林間美景。在那醇美的黑暗中，任何一點光線都會破壞氛圍，所以山裡禁止使用電筒和手機。隨著黃昏的降臨，螢火蟲之舞拉開了帷幕，上百萬隻螢火蟲在山林間閃爍著點點柔光。當時我們的任務是拍攝一部科學紀錄片，而且我們只有一個晚上的時間用來拍攝這裡的場景。這裡有個問題：你必須在黑暗中移動，還得知道自己是在往哪裡走。有人建議我們用紅光燈照明，因為紅色的光線對螢火蟲的干擾顯然比白光小。於是我們打開暗淡的紅燈，躡手躡腳地在森林中行進。大約凌晨1點時，螢火蟲的表演基本結束了，我們準備拍攝最後的幾個片段。導演和攝影師正在設置燈光，我頭頂紅燈藏在一片黑暗的空地中，一邊用遮光布裹住自己禦寒，一邊匆匆做筆記。大家都準備好了以後，我起身走向他們，同時打開筆記本，試圖寫下最後的幾句話。但是藉著導演的白色頭燈，我發現自己寫的筆記根本看不清楚。紅筆和藍筆的字跡交相覆蓋，完全無從分辨。
　　其實這是一個絕佳的範例，可以讓你看到不同波長的波為何不同。我意識到，紅色字跡一定是我在白天寫下來的。在白光下，你很容易看到白紙上的紅字，但在紅色頭燈的照耀下，紅色的墨水會消失不見。這是因為這時白紙只能將紅光反射到我的眼睛裡，而紅墨水反射的同樣是紅光，於是筆記本看起來就是一片空白。因此，我不得不在同一張紙上用藍筆又寫了一遍。藍色不會反射紅光，所以我在一片紅色中可以看見藍色字。要是把頭燈換成藍色，那麼我就只能看見紅字，藍字反而隱藏了起來。在不同顏色的光線下，我可以看到不同顏色的字跡，因為我對波長做出了選擇。紅光的波長比藍光長，知道了這個，我就能提取不同的訊息了。
　　事實上，我們轉臺接收節目的過程也是這樣的。我們對一個特定的波進行探測時，會集中尋找某一小段波長。如果此時出現了另一種波長的波，我們根本不會意識到它的存在。我的筆記本清晰地證明了可見光完全符合這個原理，而那些看不見的波也是如此。我們周圍的世界充滿了各式各樣的波，它們彼此重疊，就像筆記本裡不同顏色的字跡一樣。這些波互不干擾，也不會改變對方的顏色，每一種波都是完全獨立的。你可以選擇去接收長波長的無線電波，收聽無線電臺，也可以按下遙控器，發出只有電視機才能識別的紅外信號。你可以用紅筆在紙上寫字，也可以盯著手機看一看有沒有無線網路信號。關於最後一個例子，你可以這樣理解：我們所熟知的網際網路都有自己的「顏色」，只不過這些「顏色」都處於微波的波長範圍內，我們看不到而已。
　　各種波長的波層層疊疊，互不干擾，一直存在於我們身邊。採用正確的方式，你就能看到想看到的東西。我們的雙眼用來認識世界的波段十分狹窄，侷限在可見的彩虹色範圍內，但其他看不見的波段完全不會影響這些可見光。
　　不同波長的波不會互相影響，這一點非常重要。我們可以挑選出感興趣的波長，完全忽略其他波長。特定的環境會以獨特的方式影響每一種波長的波，對它們進行挑選、過濾。雖然我在陰雨連綿的曼徹斯特長大，很少看到晴朗的夜空，但英國最大的望遠鏡離我的家鄉只有22公里。焦德雷班克的洛弗爾巨型射電望遠鏡(Lovell Telescope)直徑達76公尺，哪怕在曼徹斯特最陰沉的日子裡，厚達數公里的雨雲堆積如山，這臺望遠鏡依然能夠不受影響地觀測天空。
　　對於波長不到百萬分之一公尺的可見光來說，進入雲層就等於闖入了一臺巨型反彈機。光會不斷發生反射和折射，最終徹底被雲層吸收。但波長在5公分左右的大量無線電波卻能暢通無阻地穿過這些微不足道的障礙，完全不受影響。如果你有機會在雨天拜訪曼徹斯特，請記住這件事。儘管你連樹頂都看不見，但是想到天文學家仍能通過無線電波看到壯美的宇宙，你也許會得到一點安慰，也有可能從心底升起一點嫉妒。8





溫室效應和地球


　　在地球周圍，不同波長的光會有不同的旅程，這是這裡適合居住的重要原因。灼熱的太陽會送來十分豐富的波，其中只有一小部分會留在我們的岩石行星上。這些光線攜帶的能量就是地球的熱量來源。然而，考慮到和太陽的距離，地球的地表溫度應該只有冰冷刺骨的—18℃，而不是現在溫暖舒適的14℃。我們之所以能夠免遭凍死的厄運，完全是因為地球就像一個溫室。這是因為不同波長的光以不同的方式與地球大氣互動。
　　想像一下你正站在半山腰上，眼前的景象像卡通片一樣可愛：天空澄藍，間或有一兩朵蓬鬆的白雲點綴其間，讓美景更加生動。遙望遠處的平原，你能看到綠樹、青草和深色的土地。陽光燦爛，雲朵在大地上投下一塊塊流動的影子。在這裡，灑在你身上的陽光已經和它剛剛離開太陽的時候大不相同。大氣吸收了很多波長很長的紅外線，以及波長很短的紫外線，但可見光幾乎完全不受影響。傳到地面的光線經過了大氣的選擇和過濾，這才是我們看到的光。在可見光的波段範圍內，天空就像大氣層的窗戶，它會無差別地接納所有波。無線電波另有一扇專門的窗戶，所以射電望遠鏡才能觀察宇宙，但其他大部分波都會遭到阻隔。
　　你看到的大地顏色越深，它吸收的可見光就越多。被吸收的能量最終都會轉化為熱。如果在晴天觸摸黑色的地面，你會感覺地上發燙。沒有吸收的光會反射回空中，通過大氣，再次進入宇宙。如果有外星人正好從附近經過，這些光就會進入他們眼中，讓他們看到地球的模樣。
　　大地變暖了。就像烤麵包機的加熱組件一樣，溫熱的地面也會釋放出光波。當然，大地的溫度沒有烤麵包機那麼高，所以我們看不到它發光。但在更長的紅外波段上，溫暖的地面就像燈泡一樣明亮。接下來我們就該講到溫室效應了。大氣中的大部分成分都不會阻攔紅外線，但某些比例不高的成分(水、二氧化碳、甲烷和臭氧)對紅外線的吸收作用極強，它們就是「溫室氣體」。你可以看到被地面反射回來的可見光，卻看不到地表釋放的紅外線。如果能看見紅外線，你會發現它們在離開地面以後變得越來越弱，最終徹底消失。紅外線在向上傳播的過程中被大氣吸收了。吸收紅外線的氣體很快又會交出自己剛剛得到的能量，再次放出紅外線。重點來了：這次釋放的紅外線不是向上傳播的，而是無差別地傳向四面八方，其中一部分會向下傳播，然後再次被地面吸收。地球因此變得更加溫暖，不會遍地冰凌。整套系統必須達到新的平衡，最終我們得到和失去的能量必須完全相等，否則地球就會變得越來越熱。所以，地球會持續受熱，直至釋放的紅外線與吸收的能量達到平衡。
　　這就是溫室效應，9它其實是一種自然現象。一般而言，地表平均溫度在14℃時，整套系統處於平衡狀態。不過，隨著化石燃料的使用，大氣中的二氧化碳越來越多，原本應該離開地球的一部分紅外線被鎖在了大氣層內，平衡被打破了。地球要變熱才能達到新的平衡。其實大氣中二氧化碳的含量並未發生太大變化：1960年，二氧化碳在大氣層中的占比是0.0313％；2013年，這個數變成了0.4％。這樣的變化堪稱微乎其微，其效果卻不可小覷。而甲烷吸收紅外線的能力甚至比二氧化碳更強。溫室效應將地球變得溫暖宜居，也會讓氣溫發生劇變。我們看不見參與溫室效應的光波，可能估測它造成的後果。





珍珠和手機通信


　　各式各樣的波在我們的世界裡蕩漾——有波長極長的無線電波，也有較短的可見光波，還有海浪、鯨歌的低沉聲波和蝙蝠的超音波。這些波彼此重疊交叉，卻互不影響。但這裡有一種特殊情況：兩道完全相同的波相遇時會發生特別的事。如果你正握著一顆彩虹色的珍珠，那麼你會看到一個美麗的答案，但要是你想維持手機正常通話，就得儘量避免這樣的情況。
　　你可以在大溪地和南太平洋其他島嶼周圍的藍綠色海水中找到大珠母貝(Pinctada maxima)，它們生活在海床上，在幾公尺深的海水中就能看到。進食的時候，大珠母貝會微微張開殼，每天它都會吸入一些海水。殼內的軟體動物悄無聲息地濾出有價值的食物微粒，再把過濾後的水重新排入大海。
　　哪怕從正上方游過，你也很難注意到大珠母貝。它們褐色的殼粗糙黯淡，毫不起眼。它們就像大海裡默默工作的吸塵器，從沒想過出風頭，但埃及豔后、法國末代王后、瑪麗蓮·夢露、伊莉莎白·泰勒卻都愛上了這些貝類陰錯陽差製造出來的東西：美麗的珍珠。
　　在極偶然的情況下，某個刺激物會鑽進貝殼裡面。大珠母貝無法排出侵入的異物，所以它只好用一種無害的物質——構成貝殼內部塗層的那種物質——把異物包裹起來。軟體動物透過這種方式來完成清掃，將侵入者化為自身的一部分。大珠母貝分泌的覆蓋物由無數微小的薄片組成，生物膠將它們層層黏合、堆疊在一起。這個過程一旦開始就會自然而然地進行下去。最近人們發現，珍珠在成形的過程中可能每隔5小時就會翻轉1次。潮水漲落，季節變遷，鯊魚、蝠鱝和海龜在頭頂來往穿梭，海床上的大珠母貝靜靜地過濾海水，在黑暗中孕育著體內旋轉的珍珠。
　　直到多年以後，可憐的貝殼終於慘遭不幸——它被人類撈起來打開了。珍珠第一次接觸到了陽光，光線在閃亮潔白的表面紛紛折返。事實上，珍珠的表面不足以反射所有陽光，部分光會穿透表層，在更深處發生反射，或者在珍珠內部折射數次，最後再回到空氣中。
　　現在，我們來關注一下純淨的波(比如陽光裡的綠色光波)以及和它相遇的同類波。不同波長的波不會相互影響，但相同波長的波可以發生疊加。以珍珠為例，表層和更深層都會反射綠光，那麼一旦這幾道反射光疊加在一起，得到加強，就會生成一道更亮的綠光。不過，以同樣角度入射的紅光卻不會得到同樣的疊加，反倒可能相互抵消，因為紅光和綠光波長不同，紅光的加強需要另選角度。
　　珍珠為什麼這麼美，讓人類歷史上的那些美人愛不釋手？因為大珠母貝的分泌物形成了這樣一種特別的結構，可以讓光波大放異彩。同樣顏色的多道光線可以在這裡發生一點點錯位，好讓光波疊加(物理學家會說它們發生了干涉)。在某個角度，我們可能會看到珍珠潔白光滑的表面上閃爍著綠色的光，換個角度，我們也許會看到藍色的光。在陽光下轉動珍珠，不同顏色的光便閃爍起了動人的七彩色澤。人類珍視這樣的光澤，因為它既稀有又美麗。
　　從物理層面上說，珍珠只是對不同的光波做了相同的處理，而你在旋轉珍珠的時候可以看到不同光波的處理結果。而在我們看來，珍珠似乎可以自己發光，這讓我們愛不釋手。不久前人類已經開始嘗試人工製造珍珠，不過直到今天，大部分珍珠依然是透過珠母貝培育出來的。
　　珍珠讓我們看到了同一種波疊加的結果。有時候兩道波的波峰和波谷會重疊起來，形成一道更強的波，朝某個特定的方向傳播；有時候它們又會互相抵消，徹底消失。如果波的來源不止一個(請想像一下兩粒石子在池塘裡激起的漣漪疊加在一起)，或是波發生了反射，都會形成新的模式。
　　不過，這又帶來了一些問題。除了光波以外，其他相同的波疊加時又會發生什麼事呢？我們經常看到人們在嘈雜的公共場所各自握著手機打電話，彼此互不干擾。同一座城市裡，成千上萬的人使用的手機都通過同樣的無線電波傳遞信號。「鐵達尼號」沉沒時，海上的無線電通信受到了嚴重的干擾，因為這片海域內有20條船正在使用同樣頻率的波發送信號。但是今天，光是一幢樓裡可能就有100個人在同時用手機打電話，信號卻依然暢通無阻。這是怎麼做到的呢？
　　請想像一下，你正站在高處俯瞰一座繁忙的城市。街上有個男人從口袋裡掏出手機，碰了幾下觸控螢幕，然後把手機舉到耳邊。假設你的眼睛有超能力，能看到不同波長的無線電波，它們在你眼中呈現出不同的顏色。綠色的漣漪以男人的手機為中心向四面八方擴散，手機就是最明亮的光源，漣漪越往外傳播，顏色和亮度就變得越黯淡。
　　注意，100公尺外有一座手機基地台，它探測到了這些綠色的光波，並對訊息進行解碼，識別了這個人要撥打的號碼。接著，基地台向目標手機發送信號，生成另一道綠色的漣漪——但它的顏色和先前那道無線電波有一點細微的區別。這就是現代遠程通信的第一個祕密。
　　「鐵達尼號」發送的信號實際上是不同波長的波混合形成的雜亂組合，但我們今天的技術已經可以精確地控制信號的波長。手機最初發出的信號波長是34.067公分，而基地台發信號使用的波長是34.059公分。也就是說，手機和基地台通信使用的波段可以精確到0.001公分。我們的眼睛分辨顏色的能力都達不到這樣的精度。
　　就像白紙上的紅字和藍字一樣，這些波各行其道，互不干擾。男人在街上行走的時候，手機發出的綠光以特定的模式向外擴散，它攜帶的信號就這樣傳遞出去。街對面的女人也在打電話，她使用的信號波長和剛才那個人只有一點點區別，但基地台能分辨出這是兩個不同的信號。政府批准的頻寬總有一個頻段範圍，在這個範圍內，只要硬體條件允許，手機網路營運商可以分隔出許許多多個具體的通信頻率，對應不同的波長。以超人的視角俯瞰城市，你會看到無數明亮的光點，那是許多手機正在各自收發信號。建築物會反彈這些信號，周圍的環境也會緩慢地吸收信號，但大部分信號仍能順利傳到基地台。
　　我們觀察的那個男人沿著街道行走，離基地台越來越遠。這裡出現了新的顏色。他前方的街道上出現了紅色，那是下一座基地台的波。上一座基地台強大的綠色信號逐漸消失，男人的手機探測到了新的頻率，於是它開始和新的基地台建立通信。男人還不知道自己已經走到了「綠區」邊緣，但他的手機已經默默切換了波長，開始發出紅光。綠基地台收不到這些信號，但新的紅基地台已經接手了任務。如果男人繼續向前走，他可能還會進入黃基地台或者藍基地台的覆蓋範圍。相鄰的兩座基地台絕不會採用同樣的顏色，但要是男人走得夠遠，他或許會遇到下一個綠基地台。這是手機網路的第二個祕密。人們會控制手機的信號強度，以確保它只傳到最近的基地台。這意味著只要多拉開些距離，基地台就可以重複使用同樣的頻段。兩個綠基地台發出的信號都不強，無法傳到對方所在的位置，所以它們不會互相干擾。
　　訊息在基地台覆蓋的區域不斷地流進流出，不同區域互不干擾。10我們之所以可以實現多人同時通話，是因為每個人使用的波長都略有區別。而在通信網路的另一頭，接收方也不會搞混這些不同的信號。要是中間出了哪怕一點偏差，這些信號也無法完成任務。但現代技術達到了這樣高的精度，我們可以透過最細微的差別來分辨不同的波。
　　我們每天就生活在這樣的環境中。手機、無線網路、無線電臺、太陽、加熱器和遙控器激起的漣漪共享空間，從我們頭頂飛過。這裡還沒算聲波呢——大地發出的低沉聲響、爵士樂、狗吠、牙醫診所用於清潔設備的超音波，還有我們吹涼茶水時激起的漣漪、海浪、地震帶來的起伏……我們生活的地方時時刻刻都在製造各式各樣的波。不少波可以幫助我們探測和揭示很多東西。從本質上說，這些波的性質完全相同。它們都擁有波長，會被介質反射、折射、吸收。只要理解了波的基本性質，領會了用波傳輸能量和訊息的祕訣，那麼你就掌握了現代文明最重要的工具。
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　　2002年，我在紐西蘭基督城附近的一家馴馬中心工作。一天晚上，電話突然響了，讓我萬分驚訝的是，這個電話居然是打給我的。那部電話有一臺無繩分機，所以我拿著電話走出房間，坐在山坡上眺望薄暮中的紐西蘭鄉村風光。電話那頭是我的祖母。當時我差不多已經半年沒回過英國了，而且一直沒跟家裡聯繫。祖母想跟我說說話，所以她在家裡按下電話號碼，立即就找到了電話另一頭的我。祖母問我外面的食物吃不吃得慣，馬兒的情況好不好，工作是否順利。
　　我聽著熟悉的鄉音，卻想到了別的事。我們的行星如此龐大，我所在的位置和我的家鄉差不多正好分居地球的兩端(兩地直線距離12742公里，直飛里程至少有20000公里)，但祖母卻能通過電話直接跟我說話。要知道，我們之間隔著整整一個地球。這樣的通話讓我覺得十分神奇。如今，我們的星球上充滿了各式各樣的波。我們時時刻刻都在通過看不見的波與別人交談。這是個了不起的成就，同時也有些怪異。馬可尼等發明家的工作和「鐵達尼號」沉沒之類的事件推動了無線通信的普及，時至今日，人們已經對這類技術習以為常。我很慶幸自己出生得不早不晚，享受了這些偉大成就帶來的便利，還會為此讚賞驚嘆。我們的眼睛無法探測到這些波，而人類總是難以欣賞自己看不見的東西。不過下次打電話的時候，請好好想一想這件事。波真的非常非常簡單。但如果能夠好好利用它，我們可以把世界變得更小。
　　

註釋
　　1　我在海邊還有個意外發現：要是你想跟鳥類愛好者搭訕，不妨隨口問問他們海鷗的事情。鷗是個龐大的家族，其中部分物種生活在海裡或者海邊，但實際上沒有任何一種鳥兒名叫「海鷗」。真正的鳥類愛好者要嘛花好幾個小時來跟你解釋這件事，要嘛乾脆對你嗤之以鼻。
　　2　如果有機會從側面觀察，你會發現它們實際上是在海面上繞小圈。重點在於，海鳥不會真的跟著海浪移動。
　　3　太平洋的其他島民(尤其是大溪地人)也有衝浪板。不過，那塊小小的板子似乎只是他們在水上坐臥的工具。夏威夷人率先想出了站在板子上迎風破浪的運動方式，也就是今天我們熟知的「衝浪」。
　　4　光屬於波的特性顯而易見。人們設計了一個巧妙的實驗來測量地球繞日公轉軌道，並由此揭示了光最反直覺的一種特性：光波中沒有任何波動的「物質」。它實際上是在電磁場中傳播的一種擾動。這個實驗名叫邁克爾遜-莫雷實驗(Michelson-Morley experiment)，它一直是我最愛的科學實驗，因為它的設計者以簡潔而優雅的方式利用整顆行星驗證了一個假說。
　　5　和很多材料一樣，鑽石對於不同顏色(波長)光的折射程度也不同，所以鑽石也會閃爍色彩斑斕的光芒。
　　6　某些孩子身邊的文化氛圍裡沒有「藍色的水」這個概念，觀察他們選擇什麼顏色的蠟筆是一件十分有趣的事情。我覺得，我們之所以會覺得水是藍色的，是因為我們看到過藍色的大海、地球的衛星照片和清澈見底的游泳池。但某些文化中的人此前一直沒見過這些東西，那麼他們的孩子會下意識地覺得水就是藍色的，還是說這完全是一種習得的知識？
　　7　光波往往僅指可見光，但為了方便讀者理解概念，作者將紅外線、紫外線和可見光放在一起講解。同樣為方便讀者理解概念，下文還會將無線電波和光波相提並論。因此，下文中出現的光波大多指包括可見光在內的、跨越整個頻譜的多種電磁波。——編者
　　8　不過，天文學家有時候並不相信自己接收到的信號真的來自遼闊的宇宙。1964年，羅伯·威爾遜(Robert Wilson)和阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)從天空中探測到了不應出現的一種微波。他們花了很長時間試圖弄清楚到底是天空中有異常情況還是望遠鏡出了故障，這些神祕的微波信號總該有個來源。他們甚至清理了望遠鏡裡的鴿子和鴿糞(他們在論文中委婉地稱之為「白色絕緣材料」)。無論如何，這些神祕的背景光似乎都無處不在。最後人們發現，它是大爆炸留下的餘韻，也是宇宙中最古老的光。要分辨信號到底來自鴿子的糞便還是宇宙的起源，你得非常小心地通過實驗去證明。
　　9　這和真正的溫室沒有太大關聯。
　　10　每個基地台覆蓋的區域都被稱作一個「蜂窩」，正是出於這個原因，手機在美式英語裡又叫「蜂窩電話」(cellphone)——因為它的網際網路是蜂窩狀的。