麦克斯韦曾预言电磁波的存在,那么什么是波呢?
在中国古代的稗言野史里,有这样的一个故事:王安石《字说》中,谓“坡者,土之皮也”。而苏东坡听到后,立刻对道:“滑者,水之骨也”,反唇相讥。我想这是后人的杜撰,而斧凿的痕迹也很让故事失去逻辑。理由是:
1.怎知王安石说的“土之皮”就是嘲笑苏东坡,就因为一个“坡”字?
2.“坡”和“滑”有一毛钱关系么?
3.王安石的“王”字也完全可以解释为“土之皮”;
4.苏东坡难道是个玻璃心?
我更宁愿相信是这样的情节:王安石说“波者,水之皮也”,而苏东坡以此类推,反问:“滑者,水之骨也?”这样就合乎逻辑了,一下子也由嬉笑怒骂变成了学术探讨了。
且不管“滑”字,单说这个“波”字的解法却是一语中的。波的基本字意就是水面的起伏运动,如波涛、波浪,指的是水的皮面上的那点事。
除了水波还有哪些波呢?假如我们握住绳子一端,不停上下抖动:
假设我们在绳子上系了根红绳,如A点,它和人手一样上下运动。A点运动方向垂直于波行径的方向,谓之横波。
那么与横波相对的纵波是什么样的呢?比如很流行的一个玩具:
弹簧上的每个点都是做上下运动,与波的传播方向一致,谓之纵波。
说了这么长时间,我们只看到了水、绳子、弹簧。波在哪儿呢?其实,波不是实物,而是一种运动,是物体处在的某种状态。即便我们看到微风吹拂水涟漪,但是除了水和水上的空气还有水下的鱼,并没有“波”这个物体。所以波只是形容水现在处在的运动状态而已。
有运动就有能量(动能),波是一种传输能量的方式,最常见的就是声波。当声波从声源发出,通过空气传输到耳朵里。耳膜就会随着声波振动,再通过神经系统传大脑,就能分辨出声音了。假设有人在说悄悄话,那么我肯定是听不到的,因为声音太小,也就是能量太小了。
然而,即使能量足够大,耳朵也未必全能听的到,还有频率限制。假设你家里有只可爱的汪星人,有时一点声音也没有的情况下,他却汪汪的叫个不停。实际上,并不是没有声音,只是这个声音的频率超出人耳的范围,所以人耳听不到,但是却在狗耳朵接受范围。
那么问题来了?为什么狗狗能听到,人听不到。这里面得要共振。所谓共振,大意指共同振动,即让一部分物体先振动起来,然后带动其他物体振动,进而达到共同振动的目的,但是共振有个前提,一般来说,每个物体都有一个共振频率,当外部振动的频率和这个共振频率相等时才称为共振,而此时物体振幅达到最大。
在声音界,共振又叫“共鸣”。当声音进入耳朵时,鼓膜随之振动(不一定是共振),然后鼓膜带着三块听小骨振动,听小骨又带着耳蜗振动。耳蜗就像一个蜗牛(要不然就不叫耳蜗了),耳蜗上的每一小段都对应不同的共振频率,所以能感知某个频率范围内声波。
共振让小伙伴在一起愉快的玩耍,但是这种友谊有时却是很危险的。当频率很大时,如果产生共振,耳蜗就会因为振动太频而破裂,这时听小骨旁边的肌肉发挥作用,通过改变听小骨的固有频率,不产生共振,同样就听不见这个频率段的声音了。
那么,除了共振,波还具有自娱自乐的精神:
1.衍射。假设躲在一个大石头后面,但是依然能石头前面的声音,这是因为波能绕过障碍物,继续传播。唐诗云:空山不见人,但闻人语响。
2.反射。当波遇到障碍物时,不仅仅发生衍射,而且还有一部分弹回来,这就是反射。当反射波和入射波的时机刚刚好时,会发生一个有趣的现象,这个波不走了。
这个波称为驻波,感觉像是驻足停留一样。
3.干涉。如果把反射波看成是另外一个波,那么反射和入射波也可以称之为干涉。所谓干涉就是干涉,你影响我,我也影响你。最有名的干涉现象莫过于双缝干涉,仅以水波为例。
干涉也是实验中检验波与否的最好标准之一。
水波,绳波、弹簧波、声波,都是因为机械振动引起的,所以称为机械波。而麦克斯韦说的是电磁波。什么是电磁波呢?刚才说机械波是一种能量,而我们的教科书里说电磁波是一种物质。难道“白马真的非Horse”?这是物理学,还没有上升到哲学高度,电磁波也是波,也是物质,怎么解释呢?爱因斯坦之前可能还没有答案。
怎么寻找电磁波呢?麦克斯韦通过一个自然现象找到答案——闪电。因为当天上闪电时,地面上的小磁针会发生扰动,所以麦克斯韦认为电火花中会激发出电磁波。这也为后来人寻找电磁波指明了个小方向。
最后说说,麦克斯韦的电磁波与法拉第的场和力线的区别。
首先,法拉第的“线”是不存在的,只是为了直观,易表达而已,就像作业本上的一个大红X一样,老师只是用这种方法告诉学生做错了,而对与错,不是大红X决定的。
场是真实存在的。日常最常见的场莫过于菜市场。菜市场是一个公共区域,是买菜和卖菜的交易场所。同样,电磁场可以看成电、磁相互作用(电变磁、磁变电)的场所。电磁波的作用便是通过电磁场实现的。
至于电磁场是如何形成的?很抱歉,我不清楚,我想可能就像菜市场一样,世上本没有菜市场,买菜卖菜的人多了也就形成了菜市场吧!
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