施郁
聲音是我們每個人都熟悉的東西。聲學是物理學中的一個傳統(tǒng)領(lǐng)域,研究聲音的物理性質(zhì),比如振動如何產(chǎn)生聲波,聲波如何在媒介中傳播,聲波的頻率、強度、速度,等等。
然而,我們對于聲音的感知,或者推而廣之,動物對于聲音的感知,還有超出以上性質(zhì)的很多問題。有一個有趣的問題:“在一個沒有人的地方,有沒有聲音?”簡單來說,這里的“聲音”可以有兩種含義。一個含義是客觀的聲音本身,即媒介的振動。物理學中有很多這種問題,比如材料的聲學性質(zhì),聲波的量子化,乃至早期宇宙中的聲波。而且很多是超出人耳的感知范圍的。在這個意義上,聲音當然不依賴于人的存在。
但是“聲音”還有另一個含義,就是人或者動物對于聲音的感知,這當然不僅依賴于聲音的客觀性質(zhì),也依賴于人或者動物的存在。在這個意義上研究聲音,就需要新的概念和新的理論。比如,我們熟悉的分貝是聲音強度的一個衡量。首先用聲壓代表聲音強度,它與參考值的比值的對數(shù),再乘以20,就得到分貝。這里選擇20微帕斯卡作為參考值,是參考了人類對聲音感知的閾值下限。但是動物(包括人)對于不同頻率的感知能力是不一樣的,因此研究人員提出頻率加權(quán)函數(shù)這個概念。對于不同的動物,采取不同的加權(quán)方法。這樣就可以刻畫不同生物感知的聲環(huán)境,研究很多相關(guān)的問題,比如噪聲導致聽覺功能退化,不同動物的聽覺能力的比較,聽覺能力隨著生物進化的變化,等等。
這就是一門叫做聲生態(tài)學(acoustic ecology)的交叉學科。它與較傳統(tǒng)的生物聲學、生理聲學的關(guān)注點又有所不同。
我們知道,聲音是信息的一種載體。聲生態(tài)學也從這個角度進行研究,比如動物如何通過發(fā)出聲音向同伴傳遞信息,包括求偶、尋食、警示等等。 反過來,動物也從其他動物以及環(huán)境的聲音得到信息,比如尋找棲息地的線索。這當然也就導致噪聲對動物行為的影響。
所以,聲環(huán)境對于生態(tài)系統(tǒng)非常重要。保證一個良好的聲環(huán)境也就自然地成為生態(tài)保護的一部分。這方面有很多有趣的問題。讀者可以從本期的專稿《我們周圍的聲音》中得到更多關(guān)于聲生態(tài)學的介紹。值得一提的是,這篇文章的原文發(fā)表于《今日物理》(Physics Today),想必意在向物理學家介紹這個物理學家比較陌生的領(lǐng)域。
物理學是整個自然科學的基礎(chǔ),比較成熟,也催生了分子生物學等生物學分支,與它們已很好地結(jié)合。在繼續(xù)深入研究傳統(tǒng)的前沿領(lǐng)域(比如粒子物理、天體物理、凝聚態(tài)物理)之余,如果一部分物理學家轉(zhuǎn)而開辟如聲生態(tài)學這樣的新的交叉領(lǐng)域,非常有意義,也很有趣。以物理學家的知識儲備和研究能力,一定會給一些傳統(tǒng)學科(如生命科學和醫(yī)學中,尚未與物理學有很多直接結(jié)合的分支)帶來新鮮和深刻的貢獻。聲生態(tài)學提供了一個范例。
在抗擊新型冠狀病毒肺炎之際,還可以探討另外幾個學科交叉問題。一是比較一般的問題,就是物理學家可以為這種傳染病做哪些貢獻??梢韵氲降挠校汉暧^方面,可以用理論物理,特別是統(tǒng)計物理和復雜性科學的方法去研究傳染病的規(guī)律,甚至結(jié)合現(xiàn)實的數(shù)據(jù),對它的傳播作出預測,探討如何盡快消滅它。微觀方面,除了幫助發(fā)展醫(yī)療診斷工具和研究手段(已有的例子是X射線,CT,磁共振,電鏡等等),也有其他的努力方向,比如幫助發(fā)展更有效的病毒檢測手段、急救技術(shù)(既有的例子是包括人工肺的體外膜肺氧合,即ECMO),等等。