第二十八章：輻射和電磁場，電磁波的關(guān)系說明

上一章我問了一個(gè)問題，就是關(guān)于輻射和電磁場的關(guān)系問題。這個(gè)具體問題是什么？我們先不點(diǎn)破，先來看看基礎(chǔ)知識的定義。

輻射：物理學(xué)上的輻射指的是能量以波或是次原子粒子移動(dòng)的型態(tài)，在真空或介質(zhì)中傳送。

輻射之能量會(huì)從輻射源往外向所有方向直線放射。一般依其能量的高低及電離物質(zhì)的能力分類為電離輻射和非電離輻射。電離輻射所攜帶的能量大于10電子伏特(eV)，可以將原子或分子電離、打斷化學(xué)鍵，非電離輻射則否。

也就是說自然界中的一切物體，只要溫度在絕對溫度零度以上，都以波和粒子的形式時(shí)刻不停地向外傳送熱量，這種傳送能量的方式被稱為輻射。

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電場：電場是存在于電荷周圍能傳遞電荷與電荷之間相互作用的物理場。在電荷周圍總有電場存在；同時(shí)電場對場中其他電荷發(fā)生力的作用。觀察者相對于電荷靜止時(shí)所觀察到的場稱為靜電場。如果電荷相對于觀察者運(yùn)動(dòng)，則除靜電場外，還有磁場出現(xiàn)。

磁場：在電磁學(xué)里，磁石、磁鐵、電流及含時(shí)電場，都會(huì)產(chǎn)生磁場。處于磁場中的磁性物質(zhì)或電流，會(huì)因?yàn)榇艌龅淖饔枚惺艿酱帕?，因而顯示出磁場的存在。磁場是一種矢量場；磁場在空間里的任意位置都具有方向和數(shù)值大小。

磁場是一種看不見、摸不著的特殊物質(zhì)，磁場不是由原子或分子組成的，但磁場是客觀存在的。磁場具有波粒的輻射特性。磁體周圍存在磁場，磁體間的相互作用就是以磁場作為媒介的，所以兩磁體不用接觸就能發(fā)生作用。

電磁場：電磁場是由帶電粒子的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種物理場。處于電磁場的帶電粒子會(huì)受到電磁場的作用力。電磁場與帶電粒子（電荷或電流）之間的相互作用可以用麥克斯韋方程組和洛倫茲力定律來描述。

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電磁場可以被視為電場和磁場的連結(jié)。追根究底，電場是由電荷產(chǎn)生的，磁場是由移動(dòng)的電荷（電流）產(chǎn)生的。對于耦合的電場和磁場，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電場會(huì)隨著含時(shí)磁場而改變；又根據(jù)麥克斯韋-安培方程，磁場會(huì)隨著含時(shí)電場而改變。這樣，形成了傳播于空間的電磁波，又稱光波。無線電波或紅外線是較低頻率的電磁波；紫外光或X-射線是較高頻率的電磁波。

電磁場涉及的基本相互作用是電磁相互作用。這是大自然的四個(gè)基本作用之一。

從經(jīng)典角度，電磁場可以被視為一種連續(xù)平滑的場，以類波動(dòng)的方式傳播。從量子力學(xué)角度，電磁場是量子化的，是由許多個(gè)單獨(dú)粒子構(gòu)成的。

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電磁波：電磁輻射，又稱電磁波，是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動(dòng)量，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面。

好了，我們介紹了5個(gè)概念的基本定義。我們知道了電磁波是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動(dòng)量。又知道了萬物皆有輻射。且以電磁波和粒子的形式向外輻射能量。那么萬物都有輻射電磁波的能力嗎？ 都具有磁場或電磁嗎？

這個(gè)問題是別人留言問我的，其實(shí)這個(gè)問題不難。留言的人是大學(xué)生，他是被國內(nèi)百科知識誤導(dǎo)了。萬物皆有輻射沒有問題，我們身邊的任何東西都有輻射。

可是說萬物都以輻射電磁波和粒子的形式向外傳遞能量，就是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。?zhǔn)確的定義是萬物以波或粒子的形式向外輻射能量。波和電磁波是不同的。一個(gè)指一類事物，一個(gè)指具體事物。就好水果和蘋果的區(qū)別。

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就像國內(nèi)這道題目一樣，開頭就說：“我們周圍的一切物體都向外輻射電磁波？”這樣說正確嗎？就像我上面說的，這個(gè)描述不夠嚴(yán)謹(jǐn)。一切物體向外輻射波，波的類型包含電磁波。

再問大家一個(gè)問題，幫助大家理解：引力波是輻射波嗎？超聲波波是輻射波嗎？

答案不言而喻，肯定是的。引力波是波，是空間能量以引力波的形式向外傳播，所以是輻射波。超聲波也是，地震波也是。

可是我們不會(huì)說引力波是電磁波，也不會(huì)說地震波是電磁波。所以輻射波包含電磁波。輻射現(xiàn)象包含了電磁輻射，這就是它們的關(guān)系。答案并不難。

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其實(shí)這位朋友內(nèi)心的真正困惑應(yīng)該是這樣的，電磁波的形成是有條件的，也就是我們上面所說的同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞能量和動(dòng)量。那么任何物體都具備這樣條件嗎？

也就是一杯水，一個(gè)人，一棵樹都是在向外輻射電磁波。這是沒有問題的?？墒菫槭裁茨?？ 答案是這樣的。一切物體都具有溫度，且在絕對零度之上。那么它就要向外有熱輻射。

而熱力學(xué)上認(rèn)為當(dāng)物質(zhì)的原子或分子高于絕對零度時(shí)候，分子或原子都會(huì)做不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)。

原子由原子核和電子組成，電子帶電荷，電子運(yùn)動(dòng)使得周圍空間的電場發(fā)生不斷的變化，我們知道，變化的電場能產(chǎn)生磁場，變化的磁場又能產(chǎn)生電場，這樣的不斷循環(huán)就產(chǎn)生電磁波了。

麥?zhǔn)想姶艌隼碚撜f簡單點(diǎn)就是變化的電場能產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁場恒定無法產(chǎn)生電場，磁場均勻變化產(chǎn)生的是恒定電場，磁場呈二次函數(shù)變化產(chǎn)生的是均勻變化的電場，磁場的其他變化產(chǎn)生的就是非均勻變化的電場了，就可以產(chǎn)生電磁波了。

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這就是為什么一切物體都輻射電磁波了。紅外熱成像儀就是利用這個(gè)原理工作的，它探測的是熱輻射。

提到熱，再跟大家多說一點(diǎn)，我覺得很重要。有一些“詞”專屬于人類。比如“熱”這個(gè)詞就是。熱或冷【溫度】我們是知道是粒子運(yùn)動(dòng)激烈程度的度量。 但對于無生命體來說，熱和冷沒有區(qū)別，因?yàn)闆]有感覺。

所以看熱和冷的本質(zhì)就是物體粒子運(yùn)動(dòng)的激烈程度，只是這種狀態(tài)的描述我們用“冷或熱”。

還有人會(huì)問，那么一切物體向外輻射能量，比如一個(gè)杯子，100年它還好好的，那它為什么沒有變小或者消失？

這個(gè)問題也不難。杯子在向外輻射能量的時(shí)候，也吸收熱輻射，所以基本可以持平。但是有的物體，就是會(huì)變小，甚至消失。

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比如一根火柴，你點(diǎn)燃它，它是變小了，變輕了，化成灰燼了。還有我們每天見的太陽?？傆幸惶?，太陽輻射會(huì)停止。

再來回答一個(gè)問題，有人問：“電磁場中的電磁波指向無窮遠(yuǎn)，而不是閉合的回路。這和磁力線必須閉合矛盾嗎？”

首先這是不矛盾的，為什么矛盾呢？ 我們可以看看下面的答案。

初中，高中老師都講過‘磁場線一定要閉合’，但從大學(xué)物理的角度來看，這句話并不嚴(yán)謹(jǐn)。首先，這句“磁場線一定要閉合”的描述，不是科學(xué)家定義的公理或者公式證明出來定理，它只是高斯磁定律的一種結(jié)果。高斯磁定律(前提是磁單極子不存在)闡明，磁場的散度等于零。

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其中，S是任意一個(gè)閉曲面，ds是微小面積分。(這個(gè)關(guān)于磁場的散度積分方程同時(shí)是麥克斯韋方程組四個(gè)公式之一。)

‘磁場線閉合’只是高斯磁定理的充分而非必要條件。

充分性：如果有一條閉合的磁場線，我們總是能夠找到一個(gè)足夠大的閉合曲面將其完全包裹，從而實(shí)現(xiàn)磁通量的‘零泄漏’。由于這個(gè)曲面是任意的，假如一根磁場線從一邊穿進(jìn)，再完全從另一邊穿出，同樣也是滿足通過任意閉合曲面的磁通量恒為零這一要求的。

必要性：我們知道，電場是可以有源的，對應(yīng)的是一個(gè)激發(fā)它的源電荷。但磁場的散度恒為零，表明磁場線并不能像電場線那樣可以存在一個(gè)對應(yīng)的起點(diǎn)或者終點(diǎn)（如果取的曲面只包裹起點(diǎn)那一小段，將違背‘通過任意閉合曲面的磁通量恒為零’），所以人們才常說磁場線是閉合的。但我們想象一種特殊情況，若是兩個(gè)端點(diǎn)都在無窮遠(yuǎn)處，這同樣也是滿足高斯磁定理的。而平面電磁波的橫磁場便是這樣的一種特殊情況。

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上圖表示的是一種最簡單的理想平面電磁波，無源，真空介質(zhì)。其中電場、磁場、傳播方向三者兩兩垂直，符合右手螺旋法則。圖中箭頭表示的是矢量而非場線（也可以說是場線在觀察點(diǎn)處的切線），其箭頭方向表明該點(diǎn)處電場或磁場的方向，箭頭長短描述電場或磁場強(qiáng)度的大小。

其數(shù)學(xué)表達(dá)如下【專業(yè)的可以看看。公式我本人也迷?！?

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其中， η為真空中波阻抗，k為波數(shù)。電場E只有y分量，磁場H只有z分量，二者同相位。電磁波沿x軸傳播。

如果我們?nèi)∫慌cx軸垂直的平面，即等相位面，畫出電場線、磁場線，

我們可以看到電場線、磁場線應(yīng)為互相垂直的兩組平行線（均勻平面波情況下，該平行線間距相同。）若沿著x軸移動(dòng)該平面，平行線箭頭方向會(huì)改變，但兩組平行線的關(guān)系依舊，各從無窮遠(yuǎn)延伸至無窮遠(yuǎn)。為了驗(yàn)證高斯磁定理，我們可以取任意的一個(gè)閉合曲面，無論怎么取，通過它的凈磁通量總是為零，因?yàn)樗羞M(jìn)入的磁感線都全毫無意外地流出來了。電場線，磁場線在無窮遠(yuǎn)處各自閉合了。

話說回來，其實(shí)平面電磁波只是一種極端理想的情況，只有無限大場源才能輻射均勻平面波。正是因?yàn)槲覀冊觳怀鲞@樣一個(gè)無限大的場源，導(dǎo)致所謂的平面電磁波只能永遠(yuǎn)看做成一種近似。結(jié)果就是，電場線和磁場線其實(shí)還是各自在很遠(yuǎn)的地方各自閉合，互為交鏈。只不過這個(gè)圈圈確實(shí)很大而已。就像下圖一樣。

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我們都知道，這種磁感線在課堂中老師說延伸至無窮遠(yuǎn)，事實(shí)上我們也無法去驗(yàn)證這個(gè)實(shí)驗(yàn)。但我們不能說沒有驗(yàn)證就不可靠。

類似的現(xiàn)實(shí)中不能驗(yàn)證的理論，還有很多。我們依然認(rèn)為它們是真理。這個(gè)我在《變化》寫過不少例子，大家可以去看看。

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同樣，通過這個(gè)問題，我們還可以想到引力。引力的作用范圍也是無窮遠(yuǎn)的，這也是我們課本上學(xué)習(xí)的。也就是地球的引力所覆蓋的范圍是全宇宙。你作為一個(gè)人，所具有的引力覆蓋的范圍也是全宇宙。

這樣想是不是會(huì)覺得很有意思。我坐著不動(dòng)，但其實(shí)我和全宇宙的一切物質(zhì)都有聯(lián)系。我已經(jīng)到達(dá)了全宇宙的任何一個(gè)星球之上。

物理就是這樣的有意思。但世界并不是我們像的那么簡單。它的美妙是多樣的。所以理解世界的方式不要拘泥。我什么也不懂，我只是在表達(dá)我的想法。今天就給大家分享到這里。

摘自獨(dú)立學(xué)者，詩人，作家，國學(xué)起名師靈遁者量子力學(xué)書籍《見微知著》

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