為何蟲子在我們耳邊嗡嗡作響如此響亮 - 《華爾街日報》

插圖：托馬什·瓦倫塔物理學家海倫·切爾斯基探索日常現象背後的複雜科學。閲讀更多專欄請點擊。

春天已至。鳥鳴聲愈發嘹亮，下班時天光未暗，倫敦的綠意中探出繽紛花蕾。上週，伴隨着這歡慶氛圍，今季第一隻飛蟲嗡嗡鑽入窗欞，落在一摞書本上。昆蟲雖小意義重大，我也樂意與它們共處一室——但以它們的體型而言，其聲響着實驚人。這位不速之客來回踱步，每次振翅起飛都打斷我的閲讀。為何如此微小的生物能製造這般惱人噪音？

飛蟲堪稱物理學奇蹟。空氣動力學研究早期就發現：若按飛機或鳥類的飛行原理，大黃蜂根本不可能飛起來。但它們確實做到了，因為其飛行方式更近似於在空氣中"遊動"。體型越小，空氣越像濃稠湯汁，昆蟲實則是在"划槳"。即便如此，產生升力仍需竭盡全力——它們必須以驚人速度拍打翅膀。多數昆蟲每秒需振翅50-300次才能避免墜落，聲音不過是意外副產品。

為保持懸浮，昆蟲翅膀需向下壓氣後復位，攪動空氣形成微小高低壓區。這種規律振動以拍翅頻率向外傳遞壓力脈衝：即我們聽覺範圍內的聲波。因體型微小，昆蟲發聲效率極低，唯有近在咫尺才能聞其聲。這種噪音其實相當複雜：基礎音是振翅頻率，但翼周複雜渦流會產生二倍頻諧波，甚至三倍頻高音。

真正令人着迷的是，所有這些都會隨方向變化。從正面聽最響亮的音調可能與側面聽到的不同，這使得很難確定單一音高。但這些信號非常獨特，通過嗡嗡聲的確切頻率可以識別物種和性別，昆蟲本身可能也在做同樣的事。

接着我們來到昆蟲發聲界的王者——蚊子。它們將這種偶然的聲音轉化成了交流渠道。蚊子的翅膀細長，拍打速度是大多數昆蟲的兩倍多——每秒700-800次——但振幅較小。這使它們成為更高效的聲源，尤其在前後方向。它們的整個飛行策略都圍繞着在飛行時進行交流而進化。

同種蚊子的雌雄個體發出的音調略有不同，這讓每隻蚊子能區分交配對象與競爭者，而求偶的標誌就是雙方會微調音高直至和諧共鳴。正是這種高頻率拍打讓人類感到煩躁。它產生更高更響的音調（雖然傳播不遠），這個音調由個體蚊子的生理結構決定，因此無論是否需要交流，聲音都基本相同。

顧名思義，飛蠅會飛，所以昆蟲的嗡嗡聲將一直存在。但或許我們應將其視為一種提醒，去欣賞這些微小生物能懸浮空中的物理原理。將這種聲音視為有趣而非惱人，可能會徹底改變我們對這些温暖季節來客的看法。

出現在2023年4月1日的印刷版中，標題為《為什麼蟲子在我們耳邊嗡嗡作響如此響亮》。