由滚动的弹簧引发的简单思考。

(文字科普向，多文字预警)

   相信大家小时候都玩过弹簧，比如说弹簧笔、魔方(啊这个人真是三句话不离魔方)，什么地方都有这种像螺纹管一样的弹簧：

     当你把这个弹簧在桌面滚动的时候，就会看到一列波似乎从弹簧的一侧传递向另一侧；再比如钻头或者理发店门口的红蓝白三色柱，在转动的时候，也会感觉螺纹从一端源源不断地“冒出”，最后消失在另一端，这看起来确实类似于波在“行进”。

     我们可以简单计算一下这个波的波速。假设螺线管半径为r，旋转频率为f，螺距为h。我们所观测到的“波”是螺线管在某一平行其中心轴的平面上的投影，如下图：

  在一个周期1/f中，这个波“前进”了一个螺距h，波速为hf。而螺线管上绕中心轴做圆周运动的质点的运动速度为2πrf。对比不难发现，只要h>2πr的时候，总可以在螺线管各点速度均不超过光速的情况下，让这个波的“波速”超过光速。

           好！物理学的大厦轰然倒塌……了吗？

    没有的，因为这个波根本没有携带任何信息，可以说，这个波上每一个点的轨迹，就像人浪一样约定好了，只是和波看起来有一样的形状。

     那么我们能换一个复杂点的螺线管吗？可以的，如下两张图：

      蓝线是红线的投影。等相位点，就是每个极值点在不断向右推进，这就是相速度。但其实螺线管只是原地旋转，波的“复包络”，或者说螺线管的“外轮廓”没有前进。而整体包络前进的速度可以认为是“群速度”，就是大家一起“共同”的速度。

     形象的示意见下图：

       此处举一例，对于极其接近的ω1，ω2≈ω，有两个波cos(ω1t-k1x)+cos(ω2t-k2x)=2cos(ωt-kx)cos[(ω1-ω2)t/2-(k1-k2)x/2]，其中第一项高频项就是载波整体向前传递，而后一项，变化极慢的项则是波的形状向前传递。

【关于其详细的推导可以看《费恩曼物理学讲义(第一卷)》48节。】

       那么对于一个给定的信号，如果把它当作某个螺线管的投影，可以还原出它对应的“螺线管”吗？那就是希尔伯特变换，这个变换是一个有些复杂的积分变换，还是个反常积分，必要的时候要取柯西主值才能得到积分结果。可以简记为原信号和1/πt的卷积。

      实际上希尔伯特变换在通信上的应用更加广泛，得到信号的复包络可以将频带信号与信通转化为等价的基带信号与系统。因为需要以傅里叶变换作为基础，故暂不赘述。

【关于其详细应用可以见北京邮电大学出版社《通信原理》（周炯槃等著）第二章。】

作者：phy东西

APC编辑部科普组

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