i第五章 電波本性不是能量

第五章電波本性不是能量第五章電波本性不是能量PAGE134PAGE158第五章電波本性不是能量如果電磁波的物理行為是之能量行為，則我們不能說電場與磁場是獨立輻射的。反之亦然。這就是本章研究電波物理行為的出發(fā)點。在大學物理書籍里，講授有關光的干涉與衍射時，物理老師首先引入光強()的概念，似乎告訴我們：光波的干涉是能量的干涉、明暗條紋是能量的強弱，在物理概念上與麥克斯韋的波能量及玻印廷能流密度吻合，也與機械波的波能量概念相吻合。對此，我們首先指出，機械波服從牛頓力學定律，傳播的波能量守恒。麥克斯韋從機械波類比到電磁波，這種基于波能量的概念，但卻它既不是傳播波能量守恒也不是輻射矢量場守恒(見第2、3章的論述)。本章論證表明：對于機械波而言，它借助于煤質的振蕩而傳播，所以它遵循牛頓力學定律，因此機械波傳播的波能量守恒，是單位體積中的質量；但是對于真空中的電場波或磁場波來說，單位體積內的質量等于零，沒有振蕩傳播的煤質，也沒有振蕩傳播的動力，所以它是一種輻射。本書的第四章得出的結論是，電波是獨立輻射的矢量場，其場強與距離平方成反比，如果以輻射源為中心，取球面和,那么流出面的的場量等于流出面的場量，即輻射矢量場守恒，服從距離平方反比律。本章進一步回答電波的一切物理行為是獨立矢量場行為，卻不是波能流之行為。本章目的是在物理概念上進一步否定玻印廷能流密度傳播之結論，也是在物理概念上進一步證明了電波是獨立輻射的矢量場。本章從電波的干涉、電波的傳輸等物理行為入手,分析得出了“電波的輻射不是波能量的傳播，而是矢量場的輻射”之結論。主要結論包括：1)電波的干涉和衍射是獨立矢量場的干涉和衍射，不是波能流的干涉和衍射，特別指出T.Yang實驗正是矢量場的干涉卻不是能量的干涉，明暗條紋是矢量場幅值的大小卻不是標量能量的大小；2)電波的反射折射是獨立矢量場的反射折射，不是波能流的反射折射；3)電波的輻射是獨立矢量場的輻射，不是波能流的輻射；4)電波的接收是對獨立矢量場的接收，不是對波能流的接收；5)電波輻射矢量場守恒，而麥克斯韋旋度場既不是傳播波能量守恒也不是輻射矢量場守恒；6)正余弦電場、磁場是虛功率，正余弦電場、磁場不是能量。電場波和磁場波是虛功率，其本性不是能量。微波作用于物質將轉化為熱能，不是“能量對能量的直接傳遞”，而是矢量場作用于物質在洛侖茲力的作用下產生了熱能，如同植物的光合作用一樣，存在一個轉化過程，也如同力作用于物體產生動能一樣，存在一個轉化過程。作用力和電波力(電場力、磁場力)都不是能量。因此本章結論是：電波的一切物理行為都不是波能量()之行為，而是獨立矢量場行為；電場波和磁場波的本性不是能量而是虛功率，它作為波動性，輻射矢量場守恒；而波長接近原子尺寸的光波在量化處理的計算上仍可按普朗克量子假設來計算。5.1電波干涉和衍射不是波能量行為如果電波的輻射是場矢量輻射，那么用場矢量來分析與計算干涉、衍射過程時，所得結論應該與實驗一致。如果認為電波的輻射是波能量輻射，那么用波能流或來分析與計算干涉、衍射時，所得結論應該與實驗吻合。否則就不是波能量行為。5.1.1光的干涉和衍射均是獨立矢量在本小節(jié)中，我們認定電波(電場波和磁場波)的行為是場矢量行為，并基于場矢量迭加原理，來分析電波的干涉和衍射。電波的干涉實驗沒有明顯記載，我們以光波來代替電波進行討論，雖然兩者本質上有差別，但作為波動性是一樣的。本章不是討論它們之間的差別，而是討論它們的行為是波能量行為或是矢量場行為，在這個問題上并不影響討論。1.光波的干涉是獨立矢量場的干涉。光波干涉有許多種，以雙縫實驗為例,如圖5-1所示，其干涉條紋是該物理行為發(fā)生的物理現象。考察該物理現象即條紋的計算，可以基于場圖5-1矢量場干涉xDd矢量之觀點，還可基于波能量之觀點。如果兩種觀點得到相同的結論，我們可以說它同時具有這兩種屬性。否則，卻不然。在該物理行為中，如果基于場矢量觀點來分析時，則兩束電波的電場矢量到達屏幕上被表示為(5-1)式中和是各自的波程。迭加后合成的電波的場矢量是。如果電波矢量是同方向的，則在屏幕上點的合成場強為(5-2)這里，對于式(5-2),便有:當時，，屏幕上為亮條紋。當時，，屏幕上為暗條紋。注意到，因此當時，，屏幕上為亮條紋。當時，，屏幕上為暗條紋。條紋之間的間隔為。以上基于獨立矢量場之分析與實驗一致。則說明T.Yang的實驗是獨立矢量場的實驗。換言之，T.Yang的干涉實驗證明了光的干涉是矢量場的干涉，即證明了(5-2)式的正確性。因此雙縫干涉服從矢量迭加原理，它是矢量場的干涉，屬于場矢量行為。事實上，容易驗證，所有干涉(包括等傾干涉、劈尖干涉、薄膜干涉、邁克孫干涉，以及牛頓環(huán)、雙棱鏡、洛埃鏡及勞厄斑點等等)都服從獨立場的矢量迭加原理，是場矢量的行為。以上分析中是用獨立電場來表述的，用獨立磁場矢量來分析，道理是一樣的。2．光波的衍射是獨立場矢量的衍射。單縫衍射可用菲涅爾波帶法加以說明，如圖5-2所示。設單縫的窄邊寬度為，在平行單色電波的垂直照射下，位于單縫所在處的波振面(a)(a)(b)圖5-2矢量場的衍射放大圖上的子波沿著各個方向傳播。其中衍射角為的一束平行光經過透鏡后，聚焦在屏幕上的點。這束單縫光線的兩邊邊緣光線之間的光程差為(5-3)則在點條紋的明暗完全取決于光程差的量值。假定波振面可分成、、等整數個波帶，如上圖(b)所示。由于各個波帶的面積相等，所以各個波帶在點所引起的光振幅相等，兩相鄰的波帶上，任何兩個對應點(如：帶上的點與帶上的點)所發(fā)出的光線的光程差總是，亦即相位差總是。結果是任何兩個相鄰波帶所發(fā)出的光線在點將完全抵消。也就是說：①當滿足(5-4)時，在點出現暗條紋。②當θ滿足(5-5)時，在點出現明條紋。這是基于矢量場的分析結果。它早被大量實驗所證實。事實上，可以證明，所有衍射(縫衍射、孔衍射以及繞射等)都是場矢量迭加的結果，均屬于場矢量行為。以上分析中是用獨立電場來表述的，用獨立磁場矢量來分析，道理是一樣的。5.1.2在大學物理書籍里，在講授有關光的干涉與衍射時，物理老師首先引入光強（光能量）的概念，視乎告訴我們：光的干涉是能量的干涉。目前大學物理書上在介紹T.Yang實驗之前用光能量作為引言。教科書敘述如下：由于光強，兩束相干光的合成光強(光能量)是，當時有（#）當為偶數倍時出現明條紋，等于單個光源強度的4倍；當為奇數倍時出現暗條紋,光強=0。然后，大學物理書籍接著介紹T.Yang實驗。似乎告訴人們“T.Yang的雙縫干涉是能量的干涉”，明暗條紋是能量的大小。物理老師也這么說。但是，讀者不妨自行驗證以下：把為偶數倍帶入式(5-2)中，得不到T.Yang的明條紋；將為奇數倍帶入式(5-2)中，得不到T.Yang的暗條紋，即，公式（#）與T.Yang實驗結果不符。因此說，光的干涉不是波能量的干涉。當且僅當按照獨立矢量場的(5-2)式來計算，才能獲得T.Yang的實驗結論。即，明暗條紋是矢量場幅值的大小，卻不是標量能量的大小。1．光的干涉不是波能量干涉。假如，兩束光的能流密度用坡印亭矢量或用來表示，(注：是能流方向)見圖5-3。即為(5-6)式中是自由空間中的電介常數和磁導率。兩能流到達屏幕上點的合成密度為(5-7)這里，式中的表示能流密度按的角頻率變化。由(5-7)式可看出：當時,[1+,其模值是2；當時,[1，其模值仍然是2。兩種情況下的能密相等，沒有干涉條紋。但事實上是：當時出現亮點，而當時出現暗點,存在干涉條紋。由此可見，雙縫干涉這個物理行為不是波能量行為。圖5-3波能量干涉誠然，當麥克斯韋的“孿生能流”被否定之后，能否用能流來描述光微波的干涉呢？回答也是否定的。不妨試一下，設到達屏幕的兩束電場能量密度分別是(5-8)式中是真空中的光速。兩能流到達屏幕上o點的合成能密為(5-9)這里，式中的表示能流密度的模值按的角頻率變化。由上式可看出：時，[1+,其模值是2；時,[1-，其模值仍然是2。兩種情況下的能密相等，沒有干涉條紋。但事實上，上述兩種情況存在干涉條紋，可見雙縫干涉這個物理行為不是波能量行為，或者說，波的本性不是能量而是場。事實上，容易驗證，所有干涉(包括等傾干涉、劈尖干涉、薄膜干涉、邁克孫干涉，以及牛頓環(huán)、雙棱鏡、洛埃鏡及勞厄斑點等等)都不是波能量行為。2．光波衍射不是波能量行為。波能量衍射圖如圖5-4所示。由于所謂的波能量圖5-4波能量衍射圖5-4波能量衍射放大圖，所以定義光微波能量永遠是正值。一方面，兩個正值能量相加不可能是零，即沒有暗條紋；另一方面，即使您認為存在負能量，但因頻率已變成,波能量的波長減半，那么衍射條紋也與實驗不符。既然如此，我們不可以說衍射屬于波能量的衍射。也就是說，衍射不是波能量行為。事實上，可以證明，所有衍射(縫衍射、孔衍射以及繞射等)都不是波能量迭加的結果，都不是波能量行為。5.1.31．對于全息照相，參見圖5-5，物光和參考光在底片平面上的振動方程分別是：(5-10)(5-11)兩場矢量迭加的結果是(5-12)式中，。當時,有極大值；當時,有極小值。特別當時，有。條紋的強度反映了物光的振幅，條紋的疏密反映了物光傾角的大小。這完全基于場矢量迭加原理，屬于矢量場行為。同樣可以證明，全息照相不是波能量行為。2．光的偏振顯然是獨立場矢量行為，或者說檢偏器業(yè)已證明了光的輻射是矢量場的輻射。否則，如果您認為光傳播是波能量行為，那么檢偏器無法檢偏，因為波能量無偏振方向。此外，瑪呂斯定律的準確表達式為，表示檢偏器與光偏振間的夾角。3．雙折射現象是場矢量行為，如圖5-6所示。同樣，尼科爾棱鏡和電氣石二色性，都是場矢量行為。此外，磁致旋光效應和液晶顯示也都是場矢量行為。4．非線性光學現象是場矢量行為。當電波電場強度較大時，電極化強度除了正比于的一次方外,還正比于的二次方、三次方.這些都是場矢量行為的有力論據。圖圖5-5矢量場迭加全息照相參考光晶體圖5-6矢量場雙折射本節(jié)論述了電波的干涉、衍射和其它宏觀物理現象都是場矢量行為，不是波能量行為，更不是玻印廷能流密度之行為。我們可以說，電波輻射本性是場矢量，而不是波能量。這與微觀世界里的普朗克量子假說并無矛盾，因為是場矢量作用于物質過程中轉換為能量時，在轉換過程中的最小轉換單元，參見5.4節(jié)。以上的獨立矢量場是使用來表述的，用來表述，其道理是一樣的。因為機械波服從經典波動方程，第四章的獨立輻射場不服從波動方程，所以用本章來說明其道理。本章的思路是，從行為看屬性，從屬性看守恒。既然行為不是波能量，則屬性不是波能量，從而它不屬于波動方程的范疇；既然行為是獨立矢量場行為，則屬性是獨立矢量場，輻射矢量場守恒，即，流出球面的場量等于流出球面的場量。也就是電磁波獨立輻射矢量場守恒。5.2電波反射折射及傳輸不是波能量行為如果認為電波(電場波或磁場波)是場矢量輻射守恒，那么用場矢量(或)來分析與計算反射折射及傳輸過程時，所得結論應該與客觀事實吻合。如果認為電波是輻射波能量守恒，那么用波能量或來分析與計算反射折射及傳輸過程時，所得結論應該與客觀事實吻合。否則卻不然。5.2.1基于場矢量迭加原理，如圖5-7所示。在入射點上有法向電場,,和有切向電場,,?？紤]邊界條件的連續(xù)性，于是有（5-13）圖5-7場矢量行為即圖5-7場矢量行為（5-14）上式的第一式也指面電荷密度連續(xù)，第二式也指切向電場連續(xù)。式中和分別是介質1和2的電介常數，下標分別表示入射、反射、折射。求解方程組（5-14），得到(5-15)(5-16)將斯耐爾定理代入式（5-15）和式（5-16），得到(5-17)(5-18)式中和是電磁場在各自媒質中的傳播速度?，F在，再把代入以上兩式，得到(5-19)(5-20)將折射率代入，并作簡單的運算，便是著名的Fresnel公式。這里，場矢量迭加原理式(5-13)是該物理行為的關鍵，因此說，反射折射這個物理行為服從獨立矢量場迭加原理，屬于場矢量行為。對于電場波入射到金屬板上，參見圖5-8，金屬電子在洛倫滋電力的作用下也將形成時變壁電荷。而時變壁電荷必將產生時變電場，其中右圖表示相位和幅度均相等的點圖5-8壁電荷產生的圖5-8壁電荷產生的反射⊕?⊕?⊕?+時變壁電荷時變子午線電場時變壁電流與時變壁電荷⊕i?⊕?⊕?集，即波振面。反射原理是：一方面形成壁電流，另一方面聚集形成壁電荷。而壁電流將產生新的磁場、壁電荷又將產生新的，即為反射的磁波和電波。這完全屬于場矢量行為，絕不是能流密度行為。以上分析中是用獨立電場來表述的，用獨立磁場矢量來分析，道理是一樣的，詳見1.7節(jié)。5.2.2現在我們考慮這樣一個傳輸系統(tǒng)，即電波從一種媒質傳輸到另一種媒質，讓我們研究它的場矢量屬性與客觀事實的吻合與否。見圖5-9。不妨，我們把代入上式(5-20)，得到且，即：對于平行極化波，電波從一種媒質傳輸到另一種媒質，滿足此角時光密媒質光密媒質圖5-9潛水員通信和布儒斯特角已證明無反射光疏媒質沒有反射，只有折射。潛水員與地面通訊正是利用此角才得以實現。以上完全基于矢量電場分析，光纖通信和潛水員通信中，都是基于矢量場傳輸的分析方法。換句話說，電波在介質間的傳輸是場矢量的傳輸，屬于場矢量行為，并服從場矢量迭加原理。不可能是能流密度行為。讓我們再來研究波導中的微波傳輸行為。這里，我們基于矢量分析方法，設波導如圖5-10所示，波導的寬邊尺寸是a，窄邊尺寸是b?；诜瓷鋫鬏斣恚浑y看出：第一，為了圖5-10基于圖5-10基于場矢量分析的傳輸YX得到高效率的傳輸，波導內壁必須是光潔的良導體，特別是b邊更應如此；第二，如果電波或磁波在自由空間的傳播速度是，那么電波沿著波導的傳播速度必然小于，因為它是折線運動；第三，因為反射實為二次輻射，而二次輻射時，半波振子的輻射效率最好，據此推得b邊尺寸最佳是半個波長(可窄但不可寬，過寬將使得上端與下端產生的場強在波導中相互抵消)；第四，由于波導左右對稱，為了避免散射波相互干擾，最好是使得左壁電流與右壁電流同時同相變化，為此，電波或磁波在波導中傳輸的斜距離應當為波長，而且入射角為45度為佳，于是，邊的尺寸應為=0.707，才是最佳傳輸。在實際工程中,已經證實了的最佳傳輸狀態(tài)。這里，我們完全基于場矢量分析，所以我們有理由認為傳輸過程是場矢量行為。換句話說，微波工程師在實踐中得出了經驗和=0.707是最佳傳輸，并沒有使用麥克斯韋旋度理論的金屬波導傳輸模型。無論是光纖通信，或是潛水員的通訊體驗，或是微波在波導中的傳輸，事實業(yè)已證明，電波的傳輸是矢量場的傳輸，屬于場矢量行為，不是波能量行為。以上分析中是用獨立電場來表述的，用獨立磁場矢量來分析，道理是一樣的。5.2.3現在我們來研究電波反射折射是否是波能量行為。如果它是波能量行為，那么它應當滿足能量守恒定律而且應當與電波實驗不沖突。反之，如果它不滿足波能量守恒定律或者得不到與電波實驗一致的結論，則說明它不是能量的傳輸。假如認為電波的反射折射是波能量的反射折射，那么用能流密度來獲取反射折射方程，結果怎樣呢？計算如下：由于能流密度是矢量，能流在分界面上連續(xù)，參見圖5-11。圖5-11假如反射折射是波能量行為圖5-11假如反射折射是波能量行為法向能流連續(xù)：（5-21）切向能流連續(xù)：（5-22）即（5-23）解此方程組得到（5-24）將和代入上式，得到(5-25)檢驗(5-25)式，我們不難看出：①它與菲涅爾公式沖突；②除了以外，>，即違背了能量守恒定律。因此，我們說,我們有理由認為電波的反射折射不是波能量行為。5.2.4我們可以考慮這樣一個傳輸系統(tǒng)，即電波從一種媒質()傳輸到另一種媒質()，讓我們研究它的波能量傳輸與客觀事實是否吻合。見圖5-12，設微波能量從光疏媒質發(fā)出并入射到光密媒質，如果電波的傳輸是波能量的傳輸，那么能流在分界面上連續(xù)，滿足式(5-25)，現在以的入射角傳輸到光密媒質()上，光密媒質光密媒質2圖5-12假如電波傳輸是波能量傳輸光疏媒質1于是有(5-26)這就是波能量傳輸的結果?？梢詸z驗，除了以外，恒有，沒有反射的布儒斯特角。然而，大量事實業(yè)已證明了，當時，確有=。由此可見，電波從一種媒質傳輸到另一種媒質時，不是波能量行為。本節(jié)基于場矢量輻射觀點，所得反射折射及傳輸方程均與客觀事實一致；但當基于波能量輻射觀點來分析時，所得反射折射及傳輸方程與客觀事實不符。因此，我們有理由認為電波的輻射不是波能量的輻射。當入射光強給定后，反射與折射光強的計算，將有兩種途徑。一是基于“場矢量傳輸”，二是基于“波能量傳輸”。我們已經得知，用兩種途徑來分析同一物理行為時，所得結果截然不同。結論是：電波的反射是獨立矢量場行為，卻不是波能量行為；電波的折射是獨立矢量場行為，卻不是波能量行為；電波的傳輸是獨立矢量場行為，卻不是波能量行為。從而表明電波非能量屬性。因為機械波服從經典波動方程，第四章的獨立輻射場不服從波動方程，所以用本章來說明其道理。本章的思路是，從行為看屬性，從屬性看守恒。既然行為不是波能量，則屬性不是波能量，從而它不屬于波動方程的范疇；既然行為是獨立矢量場行為，則屬性是獨立矢量場，從而說明它服從矢量場守恒，即說明流出球面的場量等于流出球面的場量。也就是輻射獨立矢量場守恒。5.3電波輻射不是波能量行為如果認為電波(電場波或磁場波)輻射是波能量傳播，那么接收裝置應該滿足能量迭加原理；如果認為電波輻射是獨立場矢量的輻射，那么接收裝置應該滿足場矢量迭加原理。因此用接收裝置上的實驗可以證明電波輻射到底是波能量傳播或是獨立矢量場的輻射。對于本文構思的“理想實驗”如何計算屏幕上的光強，將有兩種選擇：一是基于“光輻射是場矢量的輻射”之觀點來計算光強；二是基于“光輻射是波能量傳播”之觀點來計算光強。我們將發(fā)現，兩種觀點考察同一事物，所得結論截然不同。雖然光波與電波在物理本質上有區(qū)別，但作為波動性，兩者是同等地位的，因此本小節(jié)討論“波是能量傳播或是場量輻射”，于是可以借用光學原理來討論，到底是場量輻射或是能量傳播？5.3.1如果只考慮一束光波的輻射問題，既不能證實波能量傳播，也不能證偽波能量傳播。因此本節(jié)考慮這樣一個光傳輸系統(tǒng)：見圖5-13，左邊是光波發(fā)射裝置，右邊是光波接收裝置，而中間則是光輻射的物理空間。在這個輻射空間中有束光波,它們來自發(fā)射裝置的透鏡,并到達接收裝置的屏幕。由于束光波來自同一個發(fā)射源，因此它們具有相同的偏振和相同的初相位，并且在聚焦點上具有相等的光程差。如果光波輻射的正是矢量場，則束光波輻射到屏幕上點時，其矢量場的強度為(5-27)光波發(fā)射裝置光波發(fā)射裝置光波接收裝置屏幕透鏡輻射圖5-13光波的輻射如何檢驗這一物理屬性(場矢量迭加原理)是否吻合這一物理行為(屏幕點上光強)呢？這在透鏡干涉的大量實驗中，早被人們所證實。因此說，光波輻射是矢量場的輻射。成立！以上分析中是用獨立電場來表述的，用獨立磁場矢量來分析，道理是一樣的。5.3.2如果光波輻射的是波能量,見圖5-14,則束光能量傳播到屏幕上點時，其能量大小(或能流密度)為(5-28)光波發(fā)射裝置光波發(fā)射裝置光波接收裝置屏幕透鏡傳播圖5-14假設光運動是能量傳播這是束光能量到達屏幕點上時的總能量,相應的總電場是(5-29)顯然式(5-29)不等于式(5-27)。如果認為光的輻射是能量的傳播，那么屏幕點上的光能量強度應該由式(5-28)的描述，折算后的場矢量應該由式(5-29)的來描述。然而我們認為式(5-28)或(5-29)的光波能量并不反映屏幕點上的光強。這是因為：既然式(5-27)得到了檢驗，那么式(5-29)就不可能正確，因為式(5-29)與式(5-27)不相等，即。由于圖5-14這種光輻射系統(tǒng)實際上是透鏡干涉裝置，在波能量輻射觀點指導下，式(5-28)或式(5-29)在屏幕上不可能出現明暗條紋，所以它客觀事實不符。亦即，波能量輻射觀點與客觀事實不符，因為接收屏幕上能夠出現明暗條紋。見干涉實驗。以上分析中是用獨立電場來表述的，用獨立磁場矢量來分析，道理是一樣的。5.3.3電波輻射是獨立設有一個發(fā)射振子和一個接收振子，如圖5-15所示。收發(fā)天線相距很遠，，因此，到達接收天線上的電波可視為橫波。注意到，到達接收天線上有三個參量：、、。對于電波的輻射，到底是直接輻射了和呢？或者是直接傳播了能流密度呢？電壓放大電壓放大幅度顯示接收發(fā)射×距離圖5-15電波發(fā)、收簡圖場矢量輻射×××××××輻射場矢量與傳播波能量是兩個不同的概念?；趫鍪噶枯椛渲^點論述如下。正如第4章所述，輻射的時變電場、輻射的時變磁場，接收天線上的金屬電子在和之作用下，受洛侖茲電力和洛侖茲磁力而做上下移動，從而形成信號電流。因此信號電流的大小，電流乘以阻抗就是電壓，加到磁式示波器上的幅度值；經電壓放大之后，加到電壓偏轉板示波器上的幅度值；即為大家熟知的距離平方反比律.這里，我們的觀點結論是，輻射是場矢量的輻射，接收是場矢量的接收。為了進一步說明，信號接收是矢量場的接收這一觀點的正確性，請參見圖5-16的(a)和(b)，在各自的圖中，左右兩個信號源同頻同相而且電路也完全一樣。導線在兩個發(fā)射天線的中間并平行于發(fā)射天線，導線可視作接收天線?？梢詸z驗，導線上的電流為零，這是正負場矢量迭加(對消)的結果。~~~圖16(a)矢量場的對消發(fā)射發(fā)射發(fā)射發(fā)射圖16(b)對稱輻射中場矢量對消發(fā)射如果認為輻射了能量，那么圖中接收天線上形成的信號強度多大？顯然錯！更不是愛因斯坦的質能關系使得導線的質量或重量增加。以上分析中是用獨立電場來表述的，用獨立磁場矢量來分析，道理是一樣的5.3.4讓我們再來看一看無線電通信中的微波輻射或輻射過程。設有一個發(fā)射振子和一個接收振子，收發(fā)天線相距很遠，，即在通信應用中，如果認為電波的輻射是波能量的輻射,如圖5-17所示，那么能流密度作用于接收天線(一根細導線)時，它不能形成信號電流，因為垂直于接受天線。況且，如果認為接收天線是接收了電磁能量，那么接收天線是否與發(fā)射天線平行就顯得無關緊要。然而，事實上相當電壓放大電壓放大幅度顯示接收發(fā)射圖5-17假若是能量傳播能量傳播重要。其實，圖中接收天線不是“口袋”，它也無法接收波能量。既然接收天線不是接收波能量，那么，何以見得電波輻射了波能量呢？顯然不是！為了進一步說明，信號接收非能量接收這一觀點的正確性，請參見圖5-18的(a)和(b)，在各自的圖中，左右兩個信號源同頻同相而且電路也完全一樣。導線在兩個發(fā)射天線的中間并平行于發(fā)射天線，導線可視作接收天線。如果，如果認為電波的輻射是能量的傳播，那么接收天線既接收了來自左邊的,又圖5-18同頻同幅同相圖5-18同頻同幅同相之等距的對稱傳播i(ω)~i(ω)~(a)發(fā)射發(fā)射發(fā)射(b)發(fā)射接收了來自右邊的。由于能量是標量，所以接收天線共接收到了2，即接收信號電流比單部發(fā)射機時增強了一倍。然而，事實上恰恰相反，上圖的能量對撞是無法形成信號電流。即，導線上不可能接收到兩倍的電波能量。因此，我們堅定地認為：信號的接收不是對波能量的接收。這里順便指出，光波或者圖5-18的電場波對著導線(或物體)輻射幾千年幾萬年，也不會使得物體導線的質量增加[1]P92成。經常日光浴的美女不可能增加質量，植物的光合作用作用使得植物生長，這不是地球(水土石頭等物質)的質量長期被太陽“能”吸收的緣故。既然電波作為波動性的所有行為都是獨立矢量場行為，卻不是同生共死的能量行為，那么我們就有理由認定，電波輻射不是波能量的傳播，而是各自輻射矢量場。只有所有物理行為均是同生共死的能量行為，才能說傳播了波能量。實際上由麥克斯韋旋度理論而得到的是距離的多項式，也并不是傳播波能量守恒，而且是一個負能量值，顯然他與客觀事實不符。雖然是矢量，但能量是標量。誰推動了標量的前進？無人！因為機械波服從經典波動方程，第四章的獨立輻射場不服從波動方程，所以用本章來說明其道理。本章的思路是，從行為看屬性，從屬性看守恒。既然行為不是波能量，則屬性不是波能量，從而它不屬于機械波波動方程的范疇；既然行為是獨立矢量場行為，則屬性是獨立矢量場，從而說明它服從矢量場守恒，即說明流出球面的場量等于流出球面的場量。也就是輻射獨立矢量場守恒。5.4電波的本性不是能量自從麥克斯韋理論、波動方程和坡印亭矢量誕生以來，人們一直認為微波輻射了波能量。即認為：具有能流密度的量綱，在時間內流過截面積的波能量的平均值是(5-30)照此說來，似乎微波暗箱可以儲存波能量、微波加熱是能量交換。我們也常常聽到“微波能量”之說，而且有微波能量交換成熱能等術語。這似乎微波本身就是能量、似乎這種微波作用于物質時是把能量直接傳遞給了物質。更有荒唐者把物質與能量等同起來[1]P92。通過本節(jié)的闡述，我們將認識到，時變電磁場是虛功率，微波本身不具有波能量屬性，它與物質作用的過程是矢量場激發(fā)物質后轉化成熱能，并非波能量的直接傳遞。這里，我們需注意到“場矢量激發(fā)成熱能”與“波能量交換成熱能”，是兩個不同的物理變化過程和兩個不同的物理概念。5.4對于集中參數元件(電路尺寸遠小于波長)，含有電抗元件的電路，其解是：全響應等于暫態(tài)響應＋穩(wěn)態(tài)響應。我們感興趣的是這種正余弦穩(wěn)態(tài)響應所帶來的正余弦微波之物理屬性。大家知道，在含有電抗元件的端口電路中，在正余弦穩(wěn)態(tài)情況下，端口電壓為、端口電流為，則相應的復功率是式中,是電壓角、是電流角。右邊第一項是實功率，第二項是虛功率。實功率消耗能量，虛功率不消耗能量。據此，讓我們來研究電容中的時變電場和電感中的時變磁場的屬性。1.正余弦電場是虛功率。見圖5-19，在電路中施加的電壓源是，圖中的電阻包括電源內阻和傳導線的電阻率所帶來的阻值，即(5-31)求解該電路得到，端口1-2的復功率是：(5-32)圖5-19正余弦電場是虛功率圖5-19正余弦電場是虛功率+-VC-VR+-+IVS12這也是電壓源提供的復功率。式中是平均功率的定義。對于電阻端口，其復功率是：(5-33)對于電容端口，其復功率是：(5-34)通過以上計算分析得到如下結論：穩(wěn)態(tài)情況下，電壓源提供的能量全部用于電阻上。在電容中，雖然不斷地產生了(正余弦)時變電場，但它并不消耗能量，因為它是虛功率。這里值得注意的是，一旦電容中放置媒質水，水在時變電場的作用下，由洛侖茲電力使得水分子做熱運動，于是水發(fā)熱，這是一種轉化過程，但時變電場的本性不是能量，而是需功率。此外，電容中置入水之后，電容量和電路阻值也變了。所以需功率本性不是能量。2.正余弦磁場是虛功率。見圖5-20，在電路中施加的電壓源是，圖中的電阻包括電源內阻和傳導線的電阻率所帶來的阻值，即（5-35）求解該電路得到，端口1-2的復功率是(5-36)圖5-20正余弦磁場是虛功率圖5-20正余弦磁場是虛功率+VR-VL+--+IVS這也是電壓源提供的復功率。對于電阻端口，其復功率是：(5-37)對于電感端口，其復功率是：(5-38)通過以上計算分析得到如下結論：電壓源提供的能量全部用于電阻上。在電感中，雖然不斷地產生了(正余弦)時變磁場，但它并不消耗能量，因為它是虛功率。3.正余弦電磁場不是能量。見圖5-21,在電路中施加的電壓源是,圖中的電阻包括電源內阻和傳導線的電阻率所帶來的阻值，即。++VR-VLC+--+IVS圖5-21正余弦電磁場是虛功率求解該電路得到，電源端口提供的平均復功率是：(5-39)其中電阻端口的平均復功率是：(5-40)電感端口的平均復功率是(呈陽性)(5-41)電容端口的平均復功率是(呈陰性)(5-42)特別是在諧振中，因，則2）電容端口的平均復功率是(呈陽性)(5-43)1）電感端口的平均復功率是(呈陰性)(5-44)通過以上計算分析得到如下結論：正弦穩(wěn)態(tài)情況下，電壓源提供的能量全部用于電阻上，而在端口中雖然不斷地產生了時變電場和時變磁場，但它們并不消耗能量，是虛功率。如果說，它們之間存在著某種交換，那就是電感中陽性虛功率與電容中陰性虛功率之間的交換。這就是時變電場和時變磁場之間的虛功率交換。4．輻射的電波是虛功率。把圖5-21中的電感和電容逐步展開(參見圖4-23),那么自由空間必有時變電磁場,即電波,如圖5-22所示。此圖中的時變電磁場是虛功率，則4-23圖中的時變電磁場也必然是虛功率。從左圖到右圖,這是順理成章的事情,電源提供的能源消耗在內阻和傳導電阻上，虛功率的電波不消耗能源。這里，把電感電容中的時變場向著自由空間輻射，就是偉大赫茲實驗邏輯(參見圖4-23)。既然時變電磁場是虛功率，輻射到自由空間顯然也是虛功率。從而說明電波是虛功率，其本性不是能量。圖5-22電波是虛功率圖5-22電波是虛功率-+VS-+VSLCB(t)E(t)這里需要注意，當電容或電感中填充非完純介質(例如水)時，相當于電感或電容中增加了電阻值，則電源提供的功率增加了，(5-39)式中的實功率增加了，即消耗的電能增加了。這屬于物質在廣義洛侖茲力的作用下轉化成熱能。但作用在物質上的時變場本身不是能量。5.4設微波暗箱是由多面體組成的，內壁鍍有良導體銀(或者假設內壁是由超導體組成的)，如圖5-23所示。我們可以這樣假定：①暗箱內壁的電阻率為零，不產生焦耳熱損耗；②輻射到暗箱里的微波在暗箱中作無限次反射而不泄漏。在這樣的情況下,它儲存能量了嗎？微波束微波束微波暗箱圖5-23微波暗箱無能量儲存讓我們做兩個理想實驗來回答這個問題。實驗一。用一個自帶干電池的收音機，在暗箱外邊將收音機調準到某一廣播電臺上，設收到的電場強度是(5-45)記錄下收音機的音量指示值；再把收音機放入屏蔽室內，記錄下收音機的音量指示值。您將會發(fā)現兩個現象：收音機在屏蔽室內，其音量十分微弱；收音機在室外時，其音量比較大。值得注意的是，收音機放入屏蔽室內并把屏蔽門虛掩，這種情況下的音量比室外音量更大。EE1EE2圖5-24場矢量迭加收音機音量之所以增強了，是因為場矢量迭加的結果入射的電場矢量在屏蔽室內來回反射的電場矢量迭加在一起，致使作用在收音機天線上的電場增強，收音機上的電平指示增大(以前的收音機有這個電平指示器)從而使得信號電流增強，這是場矢量迭加，如圖5-24所示。如果說它是電波能量的相加，那么根據三角函數公式，則能流密度表達式成為(5-46)(5-47)(5-48)相加結果是：在屏蔽室內收音機收到的頻率是，而調諧在處時，就無信號。這顯然與實際情況不符，因為在處或許根本就沒有電臺，只在處及其附近才有電臺。由此看來，音量增強不是微波能量相加。這是因為，微波是虛功率,在時間周期內的積分等于零；虛功率直接乘以時間也不是真實的能量。暗室中收音機的音量的有與無，隨著屏蔽室門的開啟與關閉而“立竿見影”，可見暗室并無微波能量儲存。假如，如果說暗室儲存了波能量，那么當暗室門關閉之后所儲存的波能量足以使收音機繼續(xù)響亮一段時間?？墒菦]有，根本就沒有。這就說明電波屬性是一個瞬時功率，而不是波能量。實驗二。設有1000瓦的微波爐“干燒”1小時的時間之后。然后關掉微波爐電源，立即向微波爐內注入1公升的自來水，并停留3分鐘。您將發(fā)現，水溫不會升高。盡管微波爐事先“接受”了一個“千瓦小時”的虛能量，但它并沒有微波能量的儲存。但是，如果您先將自來水注入微波爐中，然后將虛功率為1000瓦的微波向暗箱內輻射3分鐘，您將發(fā)現水很熱。究其原因，應該是，需功率的時變場作用于水，使水產生分子電流和傳導電流，由于水的電阻率不為零，從而產生焦耳熱，所以水的溫度升高。這是電場力作用的結果。其焦耳熱可用下式來計算：(5-49)式中是焦耳熱能，是電導率，是被作用物質的體積。注意到，假定在內均勻分布的話，再運用三角函數公式，那么上式的積分結果是：(5-50)這個能量就是時變電場作用于非完純介質時所產生的焦耳熱能。除此之外，根據廣義洛侖茲磁力，時變磁場作用于自由電子(或離子)也會形成電流，同樣產生焦耳熱能。也就是說，這里存在一個從時變場到熱能的轉換過程，不是能量對能量的直接傳遞。5.4.3進一步說明電流通過輻射裝置轉化為矢量場，矢量場作用于特定的物質將轉化為焦耳熱能或其它能。這里，矢量場與物質的作用過程并不是能量直接傳遞過程，而是一種場與能之轉化過程，從而影響提供場之源的提供電能多少。就像我們擊球一樣，給球施加力，球將有動能，但施加的力本身不是能量。忽視轉化就等于失去了物理過程的本質屬性。猶如時變力踩動自行車，可以轉化為機械能和熱能一樣，但時變力與物體的作用過程并不是能量直接傳遞過程，而是作用之后的轉化過程，雖然提供力消耗了人的體能，但踩車力的本性不是能量。我們說輻射矢量場守恒，矢量場本身不是能量，因此我們不可以說輻射波能量守恒。猶如時變力作用于物體一樣，物體將產生動能。但時變力本身不是動能，我們千萬不要被一些組合起來的“量綱”所迷惑！即分清物理概念。例如，具有能流密度之量綱單位時間內流過單位面積的能量，雖然具有能流的量綱，但是，我們千萬不可以把時變力說成是能量。力就是力，力場矢量不是能量。盡管時變力作用于物體可以“轉化”出動能來。但是，與物體的作用過程不是能量交換過程，我們不可以說力場能量作用于物體交換成了動能。同樣的，對于電場力或電波，盡管具有能量之量綱，而是焦耳熱能，但所發(fā)生的物理過程不是能量傳遞；或者盡管具有能量之量綱，而是焦耳熱能，但所發(fā)生的物理過程不是能量傳遞。我們不可以說波能量(或)被交換成了熱能。其道理再也清楚不過了：第一，時變電場、時變磁場、時變電磁場都是虛功率，虛功率在周期內的積分值是零，虛功率乘以時間也不是真實能量；第二，事實上和是兩個截然不同的物理屬性(盡管量綱相同，但各自表達的物理意義是不同的)。因此本章認為，其物理過程決不可能是能量交換過程，而是轉化過程。通過以上分析，所得結論是：電波本性不是能量而是虛功率。5.5電波輻射矢量場守恒5.在整個物理學中，有許許多多的假設、模型和定律，這些模型或定律界定了物理行為的屬性，也為物理現象提供了定量或定性的解釋與描述。在這諸多物理定律與諸多物理現象之間必然存在某種內在聯系，即現象與本質的聯系。在現象與本質之間，或者說在行為與定律之間，某個物理行為可能服從一個或多個物理定律；同樣的，某個物理定律可能屬于一個或多個物理行為。究竟那些行為服從那些定律，或者，究竟那些現象具有那些本質的東西，這取決于給定的物理定律是否能夠檢驗該物理行為。具體地講，就是用給定的物理模型及其概念，去計算、分析、考察某物理行為及其現象時，看兩者是否吻合，是否得到了充分地體現與描述。本章圍繞現象與本質之間的內在聯系、行為與定律之間的必然聯系，考察了電波本身的自然屬性。我們說干涉非能量波屬性，指的是，電波的干涉非能量所為，也即，該物理行為不能用波能量的觀點來計算、分析和描述。否則，若用能量或能流密度來描述干涉現象時，將與客觀事實不符。我們說電波的傳輸不服從波能量守恒，指的是，電波的傳輸不是對能量的傳輸而是矢量場的傳輸，也即該物理行為不能用能量的觀點來計算、分析與描述。否則，若用能量或能流密度來描述反射折射現象時，將得不到反射折射方程，甚至出現“能量增生”。我們說，電波的傳播不是波能量的傳播，指的是，電波傳播的實體是矢量場而不是波能量。或者說，如果認為傳播的實體是波能量，那么用能量觀點來考察所接收到的光強時，將與事實不符。也許，假如認為光傳播既是場的傳播又是能量的傳播，那么用這兩種觀點來描述光強時，答案應該一致，然而，事與愿違?；谝陨现T多分析，我們有理由認為，電波的輻射不是波能量的輻射。值得注意的是，電波在一定條件下并作用于特定物質，可轉化為能量，這是從量變到質變的飛躍。本章不是討論質變過程，而是討論電波在那個飛躍之前的自然屬性。電場也好，磁場也好，力場也罷，它們在一定條件下并作用于特定物質，必將轉化為一定的能量，這是無可非議的。一旦轉換成能量后，能量守恒，也是必然的。力(恒力或時變力)作用于物體，可轉換為動能，但力(恒力或時變力)的本性不是能量。這似乎與電場、磁場有相仿之處。過去，人們對物體受力之作用的研究，盡善盡美，可告終結?，F在，人們對物質受場之作用的研究，剛剛起步，任重道遠。由于場與物質相互作用的機理尚未完全揭示開來，致使有人把個別現象當作普遍真理而誤認為“電波就是能量”，我不得不說那是一件憾事。本章以上得出的結論是，簡單地說，電波不是直接輻射了波能量，而是輻射了矢量場。這一結論與波粒二象性及量子假說，并無沖突。我們說，電波本身是連續(xù)的，但也不反對把這個連續(xù)的東西進行量化處理比方說波子、光子。因為，無論是量化或是數字化，對于計算處理是方便的。特別是頻率很高的光波、紫外線、射線和射線，頻率越高，更顯粒子本性?；蛟S，到了射線這個頻率界限，由于波長短至可與電子尺寸相比擬的地步，它完全表現為粒子性，或者說它主要表現為粒子性。1900年，普郎克根據他提出的量子假設，并應用古典統(tǒng)計理論算出了振子的平均能量，普郎克推得了黑體輻射的公式。從目前看來，似乎用得非常之廣，比如光電效應、康普頓效應以及整個量子力學，等等。這屬于光波的另一屬性，粒子性。盡管光波以及頻率更高的射線具有“粒子性”，已被眾人所接受，而且已家喻戶曉，但這些并不影響“電波的輻射是場矢量的輻射，并服從輻射矢量場守恒”這一結論。因為那些“粒子性”屬于“二象性”的研究范疇。比方說，從陰極發(fā)射出來的電子流的衍射呈同心環(huán)狀，雖然是衍射波動性，但我們不能說電子流的運動就是傳播了波能量。中國有一種鳥槍，槍膛里灌裝的是小顆粒金屬球，發(fā)射之后打在靶上呈同心環(huán)狀斑點，雖然具有相同的波動性，但我們不能說金屬球的運動就是傳播了波能量。同樣的，例如，功率為一千瓦、頻率為1兆赫茲的偶極子發(fā)射天線，向自由空間輻射的矢量場分別是和，我們只能說它輻射了矢量場，不能說它輻射了粒子。我們說“電波輻射非能量屬性”，主要指輻射過程中，它是以矢量場的本性在真空中輻射的，但它在與物質相互作用時，在某些場合可能表現為粒子性并轉化成能量，但這是轉化，不是能量直接傳遞。本節(jié)要否定的正是電波里的，而不是光波里的“量子假設”。波動性與粒子性，屬于兩個概念中的兩種屬性，因此對于電波不可用光波領域里的“粒子性”來考察電波的輻射結論。事實上可以驗證，所有的電波行為都不可用波能量的觀點來分析。大量物理實驗事實表明，對電波的一切行為都是獨立場矢量作用的結果，卻不是波能量直接的作用結果。當然光波作用于黑體可產生熱輻射、光波作用于氧化鉀二極管可產生電流、光波作用于皮膚可使人感到發(fā)燙、光波作用于植物可產生光合作用、光波作用于電子可產生衍射，等等這些屬于光波與物質之間發(fā)生的質變過程，質變過程中產生了熱能或其它能量，其轉化的最小單元可按能量子來計算，也就是說，光波作為粒子性，服從普朗克量子假說；但電波作為波動性，服從矢量場輻射守恒。5.5把圖5-25中的電感和電容逐步展開,那么自由空間必有時變電場和事變磁場,即電波。圖5-25電波是虛功率圖5-25電波是虛功率-+-+左圖中的時變電磁場是虛功率，則右圖中的時變電磁場也必然是虛功率。從左圖到右圖,這是順理成章的事情,偉大的赫茲實驗就是這種振蕩器，電源提供的能源消耗在內阻和傳導電阻上，虛功率的電波不消耗能量。對于廣闊自由空間也是這樣，電波本性不是能量，而是虛功率。在前三節(jié)內容和本節(jié)上述內容中，我們得出的結論是：1)電波的干涉是獨立矢量場的干涉，不是波能流的干涉；2)電波的傳輸是獨立矢量場的傳輸，不是波能流的傳輸；3)電波的輻射是獨立矢量場的輻射，不是波能流的傳播；4)電波的接收是對獨立矢量場的接收，不是對波能流的接收；5)正余弦電場磁場是虛功率，正余弦電場磁場不是能量；6)電波磁波是虛功率，其本性不是能量。那么，圍繞現象與本質之間的內在聯系、行為與定律之間的必然聯系，從而說明電場與磁場是獨立輻射的，這就意味著，以輻射源為球面中心，取和球面，則流出面的場強等于流出面的場強，即輻射矢量場守恒，即輻射虛功率守恒。對于聲波、水波借助于振蕩媒質而傳播，因此機械波屬于傳播動能守恒；而電波(電場波或磁場波)因它沒有振蕩傳播的媒質，只能是直接輻射矢量場，因此電波屬于輻射矢量場守恒。我們在第四章中介紹的電場與磁場獨立輻射，其場強與距離平方成反比，恰恰滿足輻射矢量場守恒原則。因此我們認定：電波是輻射矢量場守恒。因此，本章認為，電波的輻射服從場矢量守恒。如圖5-26所示。只有這樣，才能體現獨立矢量場的上述一切行為。否則就是波能量行為，即傳播波能量守恒。然而事實上，上述一切行為卻不是波能量行為，那么顯而易見，不是傳播波能量守恒。其實，即使認為麥克斯韋的傳播波能量守恒，但由麥克斯韋旋度理論得到的是距離的多項式，也無法滿足守恒。因為旋度理論的結論是（2-1）、（2-2）和（2-3）式，顯然流出面的波能量不等于流出面的波能量，流出面的磁場量也不等于流出面的磁場量。從這個角度講，也可證明麥克斯韋旋度理論是錯誤的。參見第四章的(4-3)式，對于時變電荷元所輻射的時變電場是