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机械波与电磁波的统一

彭加勒认为：在物理学的发展中，我们可以区分出两种相反的趋势.一方面，在有些似乎是注定毫无联系的对象之间，可以不断发现新的结合物，散乱的事实就不再各不相干了，它们倾向于排列成庄严的综合，科学向统一性和简单性进展.另一方面，观察向我们揭示出许多新现象，不过它们必须长久等待它们的位置，有时为了给它谋求一个位置，人们必须把整个建筑物拆去一角.在那些已知的现象中，我们粗陋的感觉向我们表明的是均匀性，我们日复一日地觉察到更多的变化的细节，我们原以为简单的东西又变复杂了，而科学似乎向多样性与复杂性进展.

1.机械波与电磁波的统一

黑格尔说过：“平衡对称是和整齐一律相关联的、一致性与不一致性相结合，差异闯进这种单纯的统一来破坏它，于是就产生了平衡对称.平衡对称并不只是重复一种抽象的一致的形式，而是结合到同样性质的另一种性质，这另一种形式就它本身来看也还是一致的，但是和原来的形式比较起来却不一致.由于这种结合，就必然有了一种新的、更多定性的、更复杂的一致性和统一性.”

由于机械波在介质中传播时质点之间的作用力是弹力，弹力与摩擦力本质上也是电磁力，因此在某种意义上可以认为机械波是电磁波在介质中传播的表现形式，这样就可以理解机械波与电磁波的共同点——反射、折射、干涉、叠加、衍射、偏振、多普勒效应、声电效应与光电效应以及波速、波长、频率之间具有同样的关系. 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦说过：“物理学之美在于电磁理论如何将光、电、磁三者统一起来，揭示了自然界的深刻联系.”

当今的理论物理学并不缺乏坚深的数学演绎，缺乏的只是理论发展所需要的活力：新视角、新概念、新思想和深刻的洞察力.新的科学体系的诞生无不是在固有体系的基础上，根据当时所了解的知识，理想化出一系列基本理论，并在这些基本理论基础上发展出来整个体系，但没有人能保证这些基本理论始终有效.当我们学习这些科学体系时，对权威的崇拜，对这些科学体系魅力的迷恋，对整个科学体系坍塌的恐惧使得我们的自由意志与既有结论或权威对立时，我们的第一个反应就是逃避.而作为科学基本的态度和精神的怀疑与批判，则早已被我们置之于脑后.逐渐地，我们就把这些基本理论看成神圣不可侵犯的“公理”，即使它们已经不合时宜.

2.惠更斯原理的本质

物理学上波动概念一直沿用弹性介质中机械振动的传播过程所产生的现象，并以惠更斯1690年所建立的原理解释之.惠更斯原理：介质中波动传到的各点，不论在同一波阵面或不同波阵面上都可以看作是发射子波的波源；在任一时刻，这些子波的包迹就是新的波阵面.解释了波动的折射、反射、干涉、衍射等一系列机械波动与声学的现象，并建立波动方程与能流密度方程w=ρΑ²ω²Sin²ω(t-ι/υ)，其中ρ为质量密度，Α为振动幅度，ω周期变换角速度.由于机械波是电磁波在介质中的传播的表现形式，在这个过程中介质首先吸收光子然后释放光子，因此机械波有纵波和横波，这样就容易理解惠更斯原理.

物理学高明和智慧的地方在于，在起初无法搞清楚实体形式与隐秘的质的时候，通过实验观测和概念定义及逻辑推理(这一点伽利略和开普勒起到了率先垂范作用)，建立物理量之间的数学关系，建立和发展一系列由数学语言描述的物理理论.但是到了研究越来越广泛和深入，使用越来越复杂的数学后理论也变得越来越复杂，对理论的深入理解越来越处于困境状态，理论进一步发展因无切实的实体形式和隐秘的质作为抓手而变得极为困难.理论综合与统一势在必行，总结提升揭示实体形式与隐秘的质就显的极为重要和迫切，其条件也逐渐趋近成熟.

3.声子与光子的类比

根据量子电动力学，电磁力通过光子传播，所以对于声波而言声子是光子在介质中传播的表现形式，声子和光子都是玻色子，声子只是一个准粒子，而光子是一个真正的基本粒子.

狭义相对论才纠正所谓“绝对时间”概念，采用闵可夫斯基矢量表达四维时空长度，而且从声学认识到：其时轴分量对于光子传播是：ict，c为所在介质中的光速，对于声子传播是：ivt，v为所在介质中的声速.声子与光子的性质类似，例如静止质量都是零，能量都与频率成正比等.

对称性破缺可分为两大类：诱导破缺和自发破缺，前者是由于外部原因造成的非对称.自发破缺是由于事物自身的内部原因造成的非对称，例如在物理学中，如果运动规律在某种变换下是不变的，即具有某种对称性，然而所有能量最低状态却不具有这种对称性，这时就产生了对称性的自发破缺.对称性的破缺是事物多样性的源泉，是自然界一系列自组创造的机制和过程.电磁波在真空中传播速度为定值，介质中的波速不同与介质有关，主要是先吸收光子，然后释放光子，这个过程有一个弛豫时间，导致宏观结果声子的速度远远低于光子的速度，所以波速由介质决定.

4.介质中的麦克斯韦方程组

导体中的电流是电磁场的传播，也就是电磁波的传播.导体分子中的电子只是从相应低能级跃迁到相应高能级，经相应的驰豫时间跃迁回相应低能级，并发射相应频率的光子，传送的是电位差，电位差在导体中的移动就形成电流，有磁效应.导体中各分子交替传送电位差的速度是由光子在导体中的速度决定的，不是电子的任何速度.电流不能理解为电子或者空穴的定向移动.

在麦克斯韦的理论中，最神秘和最吸引人的部分就是位移电流，位移电流是空间电场的瞬间变化率，麦克斯韦发现变化的空间电场可以产生磁场，而变化的磁场又可以感生新的电场，由此电磁波可以在空间传播.如果我们考察位移电流与导体中自由电子的相互作用，就会发现，位移电流产生的感生电场可以推动自由电子运动，使电子获得能量，但是反过来，运动的电子产生的感生电场却不能对位移电流有任何影响，原因是位移电流里只有电场而没有电子.伯努利《电磁学》写道：“麦克斯韦在致力于解释法拉第对电学的研究结果以后，着手从数学上来阐述电和磁的理论.麦克斯韦未能发现相对论——那是50年以后的事了.……然而，当麦克斯韦的理论提出时，我们一直在讨论的ðE/ðt项却十分自然地出现在他的公式中.麦克斯韦称之为位移电流.他研究真空中的电场，也究固态物质中的电场.而且当讲到位移电流时，他常常也把一些运动电荷包含在内.事实上，麦克斯韦把空间本身看作是一种介质——以太；所以即使没有故态物质存在，位移电流也在某种东西中发生.”位移电流究竟发生在什么样的物质实体中呢？“注意ðE/ðt，它表现为传导电流分布的延续，麦克斯韦称之为位移电流，这个名称一直沿用下来，虽然现在看来已经不很恰当了.”

介质的洛伦兹变换是用真空中的光速还是介质中的光速，当介质相对于观察者有运动的时候，如何写包含介质的麦克斯韦方程组是一个很微妙的问题，有人认为介质的洛伦兹变换是用光子所在介质中的光速.

笔者认为由于介质中的波速（含光速）不是真正的波速，因此麦克斯韦方程组在介质和真空中形式相同，洛伦兹变换在介质与真空中也相同.

5.物体的颜色

物质颜色原理：光由不同光波段组成，不同的光波段有不同光波段的颜色，不同物质对射向其的光波段有不同部分和不同程度的吸收或透过，吸收透过后剩余的部分反射出去，物质的颜色就是那些没有被吸收透过剩余反射出去的光波段的颜色.物质之所以具有不同的颜色，是因为它对不同的光波段吸收透过后反射出去部分的光波段不同.反射出去的这部分光波段被人眼或光学仪器接收，把这部分光波段的颜色作为该物质的颜色，实质是所反射的光波段的颜色.

物体反射、折射时首先吸收不同频率的光子，然后释放特定频率的光子，使物体呈现不同的颜色.物质对不同的波长的可见光具有选择性吸收.从微观上讲，一种物质显颜色有三种情况，一是由于共价键中的电子的轨道跃迁导致的，另一种是配位化物的一种电子的轨道跃迁造成的（如CuSO₄·5H₂O，实质上是[Cu(H₂O)₄]SO₄·H₂O，有四个水分子与Cu离子配位，无水CuSO₄有Cu离子而不是蓝色，和浓CuCl₂溶液为蓝绿色的原因），还有焰色反应.

6.温度的本质

统计物理学是怎么诞生的，就是因为理想气体中的每个分子的每一次相互撞击都服从质点力学规律，但需要建立无数个代数方程来联合求解，再取其平均效果，这就干脆先对气体系统取统计平均，即诞生了统计物理学.

在介质中传播的机械波是一种特殊电磁波，各种频率不同的电磁波的混合，笔者认为这种电磁波的频率可以等效地按照加权频率理解.温度相同的条件下介质不同，这种混合电磁波的频率也不同.机械波在不同介质中速度不同，所以机械波的传播速度由介质决定，与频率无关，即同种介质不同频率的机械波传播速度相同.这种加权频率与温度有关，所以机械波的传播速度与温度有关.这种电磁波的频率和机械波的频率是两个不同的概念，机械波的频率是质点运动的频率，类似于电流值电磁场的速度和电子的速度不同一样.

7.狭义相对论的基础

电磁波既可以在真空中传播，也可以在介质中传播（介质先吸收电磁波，然后释放电磁波），因此真空中无需引入以太的概念，狭义相对论的基础就更加牢固了.

8.电的良导体与热的良导体的一致性

电磁波既可以在真空中传播，也可以在介质中传播（介质先吸收电磁波，然后释放电磁波），因此热传导中辐射与传导得到了统一，热的良导体与电的良导体是一致的，电磁学与热力学联系更加紧密.

一般来说，我们生活中的常用金属都可以，比如铁，铝，铜，锌 都是可以导电和导热的.

我国“春秋时代”早期老子就有《道德经》，开章明意就说明：“道可道”，就已经指出：事物普遍运动基本特性、规律的“道”， “可道”即：是能够知道认识、掌握、实践、利用的.并紧接着就强调：“道可道，非常道”，又即已强调指出：事物普遍的“道”并非静止，经常不变，而都是相对运动、不断变化的.《易经》的“易”，就是“变”.就是阐明：物体辩证发展的规律，客观世界是无限发展的矛盾统一体，这些都反映出：中华文明自古就有唯物辩证思想.实践、认识，再实践、再认识的无限循环，才能唯物辩证地逐步趋于全面科学地认识、改造统一的客观世界.