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什么叫“波”?

(2014-11-02 16:02:36)
标签:

杂谈

机械波

媒质

声波

电磁感应

        “波”是我们非常熟息的一个概念。我们能够顺口说出很多“波”来,诸如水波、声波、超声波、地震波、无线电波等等,甚至还有什么‘引力波’、‘能量波’、‘物质波’,现在还应该再加上‘暗能量波’、‘暗物质波’,好像什么东西都可以‘波’一下。

        人们最熟息的“波”是水波。在平静的湖水中投入一石块,水面上会产生水波,一圈圈向外扩展开去。人们管这叫‘水波’。它的扩展或传播过程是:前面一圈隆起的水落下去外面一圈水隆起来,然后落下去再外面一圈水再隆起来落下去,如此反复下去,每一圈的水都在原地上下起落,并没有向外跑,向外“传播”的只是这圈水的‘运动形态’,这才是所谓‘水波’的真实含义,或者说是‘水波’的物理图象,我们只能将这整个过程叫做‘水波’。

        人们在物理学中最早学到的“波”是机械波(mechanicai wave),最典型的是声波。声波的物理图象和水波一样,当一个人说话时,他喉咙的声带振动使周边空气跟着产生疏密变化,导致稍远一点的空气也跟着发生疏密变化,如此下去直到听话人耳边空气发生疏密变化而使说话人的声音被听到。和前面一样,我们也只能将由声带振动引起的空气的疏密变化的传递过程叫做‘声波。当我们说:听话人收到了‘声波’,或者说:说话人的‘声波’‘传播’到了听话人那里时,这话听起来很平常,但仔细想想这里的“声波”到底指的是什么却不清楚了——给人的感觉好像‘声波’不是上面所说的那个图像,而是像子弹一样的东西了。

        究竟什么叫“波”?物理学上根本没有明确的定义。从上面给出的物理图象可以看出,机械波的定义好像应该是: “媒质中局部媒质的振动状态在该媒质中的传递过程叫做机械波”。有人说,机械波就简称为“波”,因此,上面‘机械波’的定义也就是‘波’的定义。我认为这个观点有道理,因为当时人们认为力学就是物理学的顶点了,力学已经能解释自然界的一切了,因此没必要把‘波’称为‘机械的波’,认为所有的‘波’都必定是机械的(mechanical)。可是,这种说法首先在语法上就不成立,因为‘机械波’并不是单一的词,它是‘机械的波’的中文简称,是由限定词‘机械的’和名词‘波’组成的,而且,这种观点也根本成不了物理学界的共识,上不了教科书,因为它和现时非常流行的关于‘波’的各种提法不相容,比如说:“波的传播”,这里的“波”指的是什么?是指“声带振动”?在“波的衍射”、“波的反射”等等表述中,“波”又都指的是什么?尤其是这个‘波’的定义和“引力波”、“物质波”、“光波”等这些由物理“大师”们提出来的“波”的概念不相容。

       从上述声波的物理图象可以看出,机械波必须有媒质。当我们敲打一下音叉时,会听到音叉发出的嗡嗡声,但当音叉在真空环境里振动时却听不到,就是因为没有媒质。机械波的另一个特点就是要有外界因素引起局部媒质的振动,如音叉的振动。

        下面讨论一下电磁波。按照英文名称应该叫电磁的波。为什么叫电磁的“波”呢?那是因为从电磁学方程组得出的管控电磁感应传播方程的形式和机械波的动力学方程的形式相同,当时的人们便盲目地把它称为电磁的波。

        所谓电磁波就是电磁感应的交连发展过程。电磁波的源头是振子,也就是沿一条直线来回振动的电荷。电荷的振动具有加速度,在周围产生环形变化电场,围绕环形变化电场产生环形变化磁场,围绕环形变化磁场又产生环形变化电场,如此形成一条链条以近每秒30万公里的速度向前延伸,这就是电磁感应发展过程的物理图象,就是所谓的电磁波。

       从上述图象可以看出,电磁波是横波,且非各向同性——在垂直于振子方向最强,在振子方向为零。电磁波的传播(这个说法不妥,是同义反复,这里是按习惯思维使用)无需媒质,在真空中也能发生。

        当赫兹从电磁学方程组得到和机械波的动力学方程形式相同的电磁感应方程时,认为存在电磁机械波并认为以太是其媒质的思想也是很自然的(我没有考证以太是何人提出来的),但是我们现在知道,电磁波并不需要媒质,而且上述图象告诉我们,它的所谓的“传播”方式也和机械波完全不同。电磁波这个名称也容易使人认为是电磁场波(其实当初人们就认为是电磁场波)。实际上,准确而贴切的名称应该叫电磁感应‘链’。

        如前所述,电磁感应波是横波,不仅有电感应分量还有磁感应分量,二者相互垂直且均垂直于传播方向。运用这一性质很容易反驳电磁感应波是以太机械波的观点:1,以太不可能既在电感应分量方向振动又在磁感应分量方向振动且分别具有电性和磁性;2,以太必须具有切应力,在各个方向都具有切应力的媒质既能传播横波也能传播纵波,可是电磁感应波却只有横波。

       无论从机械波的物理图象还是从电磁波的物理图象都很难找出究竟什么可以称为“波”。人们没有明确地定义什么叫“波”,却到处应用,以至于人们听起来都不感到奇怪,可是仔细想想却根本想象不出它们的物理图象,这不应该是概念上和逻辑上都应该非常严密的物理学中应有的现象。

       

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