可以先看看 《光不是电磁波 摩擦力不是电磁力》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11360569.html ,
《我决定 发展推广 一个 物理学 学派 “逻辑物理学”》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11413349.html ,
《用 双边干涉 来 计算 小孔衍射》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11453689.html ,
麦克斯韦方程 是 计算 一个 感抗 电路 的 感抗源 在 空间 产生 的 电场 和 磁场 的 状况 。
麦克斯韦方程 本身 并不能 描述 电磁波 的 波动性 。
所谓 麦克斯韦方程 描述 电磁波 的 波动性 是 用 其它 的 一些 理论公式 完成的 , 比如 菲涅尔公式 。
麦克斯韦方程 、菲涅尔公式 、电磁学 、光学 这是一块 奇葩 的 花园 。
菲涅尔公式 在 麦克斯韦方程 之前 就 已经 根据 以太 波动模型 推导出来了, 后来 因为 认为 光 是 电磁波, 所以 又 根据 麦克斯韦方程 推导出了 一个 电磁版本 。
电磁版本 的 菲涅尔公式 的 推导 原理 大概 是 这样 :
设 光 从 介质 A 入射 到 介质 B , 根据 麦克斯韦方程 计算出 电磁波 的 电磁场 从 A 传递到 B 的 状况,
具体 就是 计算出 传递到 B 中 的 能量 是 入射能量 的 百分之多少 , 传递进去 的 能量 就是 透射波, 剩下 的 大概 就是 反射波,
本来 推导 的 式子 里 透射波 和 反射波 的 能量 跟 A 、B 的 介电常数 和 磁导率 都 有关系 的, 但后来 介电常数 和 磁导率 都 很神奇的 消掉 了,
透射波 和 反射波 的 能量 只跟 入射角 和 折射角 有关 了 。
跟 折射角 有关 意味着 跟 A 、B 的 折射率 有关, 跟 折射率 有关 意味着 跟 A 、B 的 材质(材料) 有关 。
所以, 实际上 描述 透射波 反射波 的 能量 没必要 这么 麻烦, 只需要 一个 正比例 公式 就可以 。
比如, 对于 某种材料, 可以 有 透射率 、反射率 , 透射率 = 透明度 + 吸收率 , 等等, 诸如此类 。
这些 率 和 材料 相关, 是 材料 的 性质, 可以通过 测量 得到, 也可以 通过 光 在 材料 中 的 传播速度 或者 折射率 等 推导 得到 。
我认为 这些 率 和 光 在 材料 中 的 传播速度 或者 折射率 的 关系 应该 也是 正比例 关系 。
和 折射率 一样, 这些 率 应该 也有 相对于 真空 的 绝对率, 比如 绝对透射率 、绝对反射率 , 也有 2 种 材料 之间 的 相对率, 比如 相对透射率 、相对反射率 。
而 2 种 材料 的 相对率 之比 和 绝对率 之比 是 成比例 的 。
正比例 公式 是 自然界 的 第一公式, 自古以来, 取得 成功 的 正比例 公式 数不胜数, 额 ,,, 要我说的话, 我一下 还 想不起来, 就说一个 欧姆定律 吧 ! 其它 的 自己 脑补 。 ^^
看, 我们 这样 小试牛刀, 是不是 就 把 问题 很容易 的 解决掉了 ?
光 不是 电磁波 。
用 电磁场 结合 光 的 折射定律 和 反射定律 , 推导出 似是而非 的 菲涅尔公式, 反过来 再 用在 光学 上,
而且 成了 现代 光学 的 基础公式, 用了 100 多 年, 这 真是 不可思议 。
这也是 科学史 上的 一朵 奇葩 了 。
还有一个 问题, 一束白光 照射到 物体 上, 物体表面是 红色, 所以 对 红光 的 反射 显著, 对 其它光 的 吸收 也 显著, 菲涅尔公式 能 描述 这种 情形 吗 ?
如果 按 我们 上面说的 反射率 的 方法, 反射率 透射率 和 光 的 波长 也有关系, 可以 把 反射率 透射率 和 波长 的 关系 记录为 一个 参数表 。
对于 普通玻璃 , 可以 认为 是 无色玻璃 + 亚铁离子 2 种 材料 的 组合 来 处理, 这样可以根据 无色玻璃 的 反射率 透射率 加上 亚铁离子 对 绿光 的 反射率 和 对 其它光 的 吸收率 来 计算 普通玻璃 的 反射率 透射率 。 当然, 亚铁离子 的 反射率 吸收率 要 乘以 普通玻璃 中 亚铁离子 的 含量(百分比) 才能和 无色玻璃 的 反射率 透射率 相加 。
总之, 采用 我们 的 新方法 的 话, 推导也好, 测量也好, 计算也好, 推导 + 测量 也好, 都很方便 。 应对 各种 实际场景, 各种 材料 的 组合, 各种 工件形状 都 没问题, 很灵活, 很方便 。
描述 电磁波 其实 很简单, 并不需要 麦克斯韦方程 的 空间 微积分 以及 推导 菲涅尔公式 的 向量 计算, 这些 做法 简直 是 把 日常问题 复杂到 无以复加 。
忍不住 插一句 , 当 数学推导 已经 达到 长篇累牍 时 , 可以 认为 这个 推导 已经 脱离 了 直观, 并且 暗藏 了 若干 逻辑错误 或者说 逻辑陷阱, 这些 逻辑错误 和 逻辑陷阱 隐藏在 一堆 数字 中, 是 很难 察觉 的 , 换句话说, 当 数学推导 已经 达到 长篇累牍 时 , 结论 是 不可靠 的, 没人知道 那是什么 。
再插一句, 上帝 负责 设定 微观 的 简单规则, 我们 负责 寻找 宏观 的 简单规则 。
这里 的 宏观 不是 绝对 的 宏观 , 是指 一种 整体观, 比如 在 微观 的 量子世界 里 我们 也 应该 去 寻找 整体规律 。
这一点 我在 《我决定 发展推广 一个 物理学 学派 “逻辑物理学”》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11413349.html 中 叙述 过 。
描述 电磁波 的 波动性 只需要 将 电磁振荡电路 里的 电磁场 的 变化状况 等效 到一个 波 上, 再用 波动理论 来 描述 这个 波 就可以了 。
波 的 波动性 比如 反射 、折射 、衍射 、干涉 。
将 电磁场 的 变化状况 等效 到 一个 波 上 是指 用 电磁场 的 变化状况 给出 波 的 4 个 初始参数 : 波长 频率 波形 能量 。
形象 的 说, 就像 小孩 描字, 把 电磁场 的 变化 描 到 波 上 。
感抗 会在 空间 产生 磁场, 但是 这个 磁场 不会 产生 涡旋电场 。 涡旋电场 是 虚拟 的 ,也是 虚构 的 , 因为 涡旋电场 并不存在 。
也不存在 向 空间(远方) 传播 的 电磁场, 如果 电磁波 是 向 空间 传播 的 磁场, 那么 电磁波 经过 的 地方 , 会 造成 磁扰动 ,
如果 电磁波 是 向 空间 传播 的 电场, 那么 电磁波 经过 的 地方, 会 对 空间 孤立 的 电荷 产生 库仑力 , 实际上 会 怎么样 ? 不知道 , 嘿嘿嘿 。
所以, 麦克斯韦方程 计算 空间 的 电场 和 磁场 是 没有意义的 。
描述 电磁波 只需要 一个 辐射率 就可以 描述 。 辐射率 表示 感抗电路(电磁振荡电路) 中 有 百分之多少 的 能量 作为 电磁波 辐射出来 。
电磁波 的 频率 、波形 由 电磁振荡电路 的 电压 或者 电流 的 波形 决定,
由于 电磁波 的 速度 是 光速, 所以 知道了 频率 就知道了 波长 。
所以, 这样, 一个 波 的 4 个 初始参数 已经 具备 : 波长 频率 波形 能量 。
电磁波 已经 被 描述 出来 了 。 显然, 这根本 不需要 麦克斯韦方程, 也不需要 计算 空间 的 电场 磁场 。
电磁波 传播 到 远方, 在 远方 的 闭合导线 或者 闭合线圈 上 产生 的 感应电动势 就是 上述 的 能量 , 即 电磁波 能量 = 电磁振荡电路 功率 * 辐射率 。
由于 传播 途中 存在 阻尼损耗, 所以 远方 的 闭合导线 上 的 感应电动势 应该 减去 阻尼 。
这是一个 粗略 的 计算, 闭合线圈 上 获得 的 感应电动势 = 闭合导线 上 获得 的 感应电动势 * 匝数 。
事实上, 电磁振荡电路 辐射 出 的 电磁波 是 向 四面八方 传播的, 所以 电磁波 能量 = 电磁振荡电路 功率 * 辐射率 这个公式 计算出的 是 电磁振荡电路 辐射 出的 总能量, 远方 的 某个 闭合导线 或者 闭合线圈 上 接收 到 的 能量 只是 其中 一小部分 , 这 很难 量化, 不过 也没人 关心 这个, 因为 有 三极管 放大 嘛 。
对于 电子电路 , 不考虑 电磁波 传播 的 波动性 的 话, 上面 这样 足够用 了 。
如果 要 研究 电磁波 的 波动性, 比如 反射 、折射 、衍射 、干涉 , 那 交给 波动理论 就行了 。 只要把 这个 波 定义出来 , 波 的 波动性 就 交给 波动理论 就可以了 。 当然, 我们上面 已经 通过 4 个 初始参数 ( 波长 频率 波形 能量 ) 把 波 定义 出来了 。 而这些 跟 麦克斯韦方程 还是 没有 什么 关系 。
当然 , 这里的 波动理论 不是 传统的 惠更斯原理 、菲涅尔公式 等等 为 代表 的 空间微积分 + 细节假想 学派,
而是 我们 提出的 新的 简明的 波动理论, 比如 上面 提出 的 用 正比例 公式 和 透射率 、反射率 , 透射率 = 透明度 + 吸收率 等 比率系数 来 描述 光 在 入射 时 发生在 反射 和 折射 上 的 能量, 以及 透射 中 被 吸收 的 能量 等等 。
以及 还可以看看 《用 双边干涉 来 计算 小孔衍射》 https://www.cnblogs.com/KSongKing/p/11453689.html , 这里面 的 方法论 也是 新的 简明 波动理论 的 一部分 。
这样的话, 光学 的 架构 就 简明清晰 了 。
所以, 麦克斯韦方程 在 大部分时候 是一个 象征性 的 存在, 象征着 “电磁理论 是 完备 的” 。
麦克斯韦方程 的 电磁波 模型 “变化的电磁场 向 远方 传播” 可能 不是 电磁波 的 实际状况 , 但是 麦克斯韦方程 却 抓住了 一点 : 电磁波 是 把 本地(Local) 电磁震荡电路 的 能量 和 信息 传播 到 远方(Remote) 。
能量 和 信息 包括 频率 波形 能量 。
麦克斯韦方程 是用 “变化的电磁场 向 远方 传播” 这个 模型 来 解释 电磁波 把 本地(Local) 电磁震荡电路 的 能量 和 信息 传播 到 远方(Remote) 的 这个 性质 。
确实, 这个 模型 是 直观 有效 的, 因为 对于 远方 的 闭合导线(线圈) 就 如同 在 本地 的 交变磁场 中 获得了 感应电动势, 就好像 变压器 。
这个 模型 很好 的 解释 了 电磁波 把 能量 和 信息 传递 到 远方 的 这个 性质 。
电工技术 和 电子技术 的 技术体系 有 很大的 成分 是 直观 、直觉 和 经验 。 电子电路 需要 调试 才能 获得 良好的 表现, 这是 工艺, 也是 经验 。 当然 调试 得到 的 参数 大概 就是 核心技术 了 , 哈哈哈 。
电工 电子 技术 的 直观 直觉 很大部分 基于 欧姆定律 。 欧姆定律 U = I R 可以说是 电学 里的 牛顿第二定律 F = ma , 简直了 。
安培 欧姆 等 科学家 建立 的 电压 电流 电阻 以及 欧姆定律 等 概念 公式 理论 是 简明的 、宏观的 、整体的 、系统的 、抽象的 。
试想一下 , 如果 安培 欧姆 等 前辈 像 麦克斯韦方程 一样 用 库仑力 、自由电荷 、空间微积分 这样 的 方法 来 建立 理论, 会是 什么 景象 ?
用 底层 细节 来 建模 和 空间微积分 的 数学方法 决定了 麦克斯韦方程 没有 实用性 。
麦克斯韦方程 的 成名一战 应该是 计算出 电磁波 的 速度 等于 光速, 但 实际上 这也不是 电磁波 的 速度, 而是 电磁场 在 介质(包括 真空) 中 的 传播速度 , 只是 两者 刚好 都 等于 光速 。
物理学 流传着 一个 由来已久 的 传说(感觉好像 屠龙刀 的 传说 ……) : 麦克斯韦方程 计算出的 光速 和 参照系 无关 。
麦克斯韦方程 推导出 的 计算 电磁波 速度 的 公式 是 波速 = 1 / 开方( 介电常数 * 磁导率) ,
磁导率 的 单位 亨利/米 , 亨利 = 伏特 * 秒 / 安培,
所以 磁导率 单位 中 包含了 长度 和 时间 。 我们 试想一下, 磁导率 是 怎样 测量 的? 就可以发现, 磁导率 的 测量 是 有 参照系 的, 参照系 是 磁场源 和 介质 。
所以, 磁导率 包含了 参照系 。
所以, 麦克斯韦方程 计算出 的 电磁波 速度 也 包含了 参照系, 只不过 是 隐含 的 (implicit) 。
有 网友 以 机械波 举例 波源 上下运动, 波 向 前方 传播, 波 传播方向 和 波源运动 方向 垂直, 所以 波速 和 波源 无关 。
实际上 机械波 波速 恰恰 与 波源 和 介质 有关 。
我们 可以来 看看 波 的 动力学 模型, 波源 上下运动, 带动 邻近 的 微粒 也 上下运动, 邻近 的 微粒 又带动 邻近 的 微粒 …… , 这样 就 形成了 波 。
从 模型 上 可以看到, 如果 波源 和 介质 相对于 另外一个 参照系 S 在 运动的话, 相对于 S, 波速 是 和 波源 介质 的 速度 叠加 的 。
又比如, 波速 = 波长 * 频率 , 这对 所有的 波 都 适用, 看起来 波速 也和 参照系 无关, 但 我们 看看 上面 的 波 的 模型,
同样可以看到, 波速 是 和 波源 介质 的 速度 相关 的 。
从 模型 可以看到, 波速 = 波长 * 频率 这个 公式 本身就是 在 波源 介质 这个 参照系 的 范围 内 的 。
上面 这 2 个 例子 都 说明了 波速 和 波源 介质 速度 有关, 这个 关系 是 隐含 的 (implicit) 。 这个 隐含 的 关系 在 模型 里 可以 看到 。
所以, 要 运用 直观 和 逻辑思辨, 不能 望文生义, 望文生义 就 成了 文字游戏 、数字游戏 了 。
麦克斯韦方程 被 人们 赞美为 “最优美的公式之一” 、 “完美 到 令人发指 的 方程” , 换个角度来看, 如上所述, 未必如此 。
我 写 这篇文章 的 目的 是 破除迷信, 解放思想 。 跳出 西方 数学思维 的 局限 和 陷阱 , 以及 由此 带来 的 官僚 。
是时候 在 科学 的 发展 中 贡献 东方 的 力量 了, 科学 需要 东方思维 的 特色 : 直观 、逻辑思辨 、简明 、宏观 、整体 、系统 、抽象 。