第一章 三元平衡
三元平衡的基本概述：
我们想象这样的一个场景，在一间屋子里有一张桌子，桌子上面放着一本书，这时书受到的重力与桌子对它的反作用力，二者之间处于一种宏观上的稳定平衡状态。
我们假设，某一瞬间，桌子突然凭空消失。这时原本放在桌子上的书，由于突然间失去了桌子对它的重力形成的反作用力，原本的重力与桌子对它的反作用力之间的平衡状态一下子就被打破，使得书本瞬间变成一种非平衡的状态。这时书本就会从高处落到地上，当落到地上之后，这本书这时便重新获得新的稳定平衡状态，即重新获得书的重力与一个地面对它的反作用力的新稳定平衡状态。
从原来的平衡状态到新的平衡状态的整个过程中，书本先是获得了势能，然后势能转换成为动能，最后撞击地面后动能消失。在这整个书本下落过程中，书本是由一个宏观上的非平衡状态，变成另一个新的宏观上的平衡状态，这个由非平衡状态变为平衡状态的过程中，发生了能量的变化和转移。
由非平衡状态变为平衡状态的过程中，发生的能量的变化和转移的现象，其实就是一种三元平衡的现象，而这个三元平衡的过程，其实就是某种意义上的三元平衡状态的过程。
所以说，三元平衡状态，是宇宙万物之间遵循的三个最基本的状态，即非平衡、平衡、非平衡趋于平衡（能量转移或能量变化）。这三个基本状态，同样也是自然界中一切系统，可能存在的三个基本状态。
图1-1，书的重力与桌子反作用力形成的宏观上的平衡状态。
图1-2，处于下落非平衡状态的书本。
图1-3，书的重力与地面的反作用力形成新的宏观上的平衡状态。
三元平衡的基本理论：
用一句话总结三元平衡就是：在一个系统之内，两个非平衡状态趋于平衡状态的过程，就是三元平衡的过程。
“静态三元平衡系统”、“静态三元平衡状态”，则是两个非平衡共同构成的静态平衡系统。例如，放在桌子上的书本。
用于解释三元平衡状态的物理定律，叫做三元平衡定律，三元平衡定律是宇宙万物（系统）之间遵循的基本定律。
例如，宏观世界的物理现象，物体运动、水的波动、单摆摆动等。甚至还包括微观世界的物理现象，例如，电磁波、基本粒子、电子等，以及量子之间的关系，同样是遵循三元平衡定律而运转。
三元平衡状态：
三元平衡状态，包括宏观三元平衡状态和微观三元平衡状态。宏观的三元平衡状态，其实是一种复杂的三元平衡状态。它是由无数个微观系统共同作用，而呈现出的整体物理现象或物理状态。宏观的三元平衡状态，包括静态三元平衡状态和动态三元平衡状态两种。
例如上面那种，书放在桌子上的平衡状态，就是宏观上的静态三元平衡状态，而水波、单摆就是一种动态的三元平衡状态。
其实所有由物质构成的三元平衡状态，都是包含有微观动态的三元平衡状态。包括宏观上静止不动的书本，构成书本物质的分子、原子、质子、电子等，都是以一种微观动态三元平衡状态的形式存在。各种波动、粒子等，也都是三元平衡状态下形成的系统。
宏观世界的三元平衡状态一：
我们还是根据书本下落的例子，在这里我们想象这样一种极端的假设情况。书本下落，直接掉进一条贯穿地球的巨大隧道里面。由于在地球引力的作用，这时书本产生的势能是以地心的位置作为参考系，书本由地球引力而产生的势能转换成为动能。书本向地心运动时，势能减小动能增大，直到穿过地心之后，变为动能减小势能增大，如此往复运动。
因为这种假设的极端情况，是忽略了所有其他外部因素的，所以在这种假设的极端情况下，书本将会一直往复运动下去。其实这就是，假设的一种宏观动态的三元平衡状态的简单模型。
图1-4，在动能与势能之间来回转换的动态三元平衡模型。
宏观世界的三元平衡状态二：
水的波动是自然界中最常见的宏观动态三元平衡状态，也是自然界中最基本的三元平衡状态模型。
假如，水面上漂浮着一块木头，当水面平静的时候，木头的重力和水对木头的浮力是一对平衡力。当水面形成水波时，木头的重力和水对木头的浮力，就会出现动态的平衡状态。
当木头位于波峰时，向下的重力大于向上的浮力，重力与浮力处于一种非平衡状态。当木头位于波谷时，向下的重力小于向上的浮力，重力与浮力同样处于一种非平衡状态。木头和水波在这两种非平衡状态之间来回往复的运动，就是水波呈现出的宏观动态三元平衡状态。
图1-5，两个非平衡状态，在平衡轴之间来回往复变化而形成的波形图，这种波形图既是水波波形图，其实也是三元平衡关系图。
宏观世界的三元平衡状态之三：
单摆的周期性的摆动也是一种常见的三元平衡状态。在传统的物理学中，人们经常将单摆的周期性的摆动，用一种特殊的波形图来表示。而单摆的周期性摆动其实是一种宏观世界的三元平衡的运动状态，这种波形图其实更准确的来说是一种三元平衡关系图。
图1-6，单摆的三元平衡关系图，表示单摆运动的三元平衡关系。
电磁波与三元平衡状态：
电磁波作为一种波，自然也同样遵循三元平衡定律。电磁波是由互相垂直的电场与磁场，在空间中相互转换发射的震荡粒子波。电磁波类似于波动，但传递过程中并无形态意义上的波动，而是沿电场方向传递的（后续章节中有相关理论的详细论述），是电场和磁场以类似于能量相互转换的形式，而形成的震荡，通过周期性震荡而形成的“类波粒子”（真实状态为，电场与磁场呈周期性转换的微观系统）。
电流会产生垂直于它的磁场，导体切割磁场也会形成电流。也就是说流动的电子，会产生一个与它垂直的磁场。导体切割磁场时，也就是变化的磁场，会使导体形成电流。而导体形成的电流，则是在变化的磁场力的作用下，形成的电子流动。
也就是说，变化的磁场会在导体内部形成与它垂直的电流。在导体内部，电子流动的状态决定了电场的状态。而同时电场的状态，也同样会影响电场所呈现出来的磁场状态。也就是，变化的电场也会形成与它垂直的磁场。这种相互影响与共存的关系，这就是电场和磁场相互作用的关系。
图1-7，电流产生和它垂直方向的磁场。
图1-8，导体切割磁场产生电流的电磁感应现象。
由于变化的电场会形成与它垂直的磁场，同样变化的磁场也会形成与它垂直的电场。根据电磁场的这种关系，可以推出电磁波的波动形态模型。即电磁波在一个波动频率中，电场由强变弱再由弱变强，呈周期性变化，变化电场周围会形成一个围绕它的磁场。当电场由强变弱时，围绕它的磁场则由弱变强，当电场由弱变强时，围绕它的磁场则由强变弱。
在电磁波的三元平衡中，电场和磁场分别为两个非平衡因素，在电磁波中，电场和磁场的这两种能量，类似于水波中存在的两种势能。
在水波中相当于波峰处，由于重力产生向下的势能，以及波谷处由于浮力产生向上的势能。而变化状态的电场和变化状态的磁场，在电磁波中的这种能量，类似于水波中存在的这两种动能。
电场转化为磁场的过程和磁场转换为电场的过程，就是变化的磁场和变化的电场（能量转移或转换的过程），类似于水波中变化的动能（势能转移或转换的过程）。即在水波中相当于由波峰到波谷的向下的动能，和波谷到波峰向上的动能，动能大小与势能大小呈此消彼长的关系。
电磁波的这两个非平衡因素，也类似于掉进水中的木头形成的水波，木头的重力和水对木头产生的浮力之间的关系。这两种力在波峰或波谷处的非平衡状态，形成了两种势能，这两种势能就是两种非平衡因素，而两种非平衡因素的大小，通过动能相互转换，最后就形成了水波。
图1-9，水波在波峰与波谷时形成的两个非平衡状态示意图。这种图就是三元平衡关系图，在机械波中三元平衡关系图，接近于一般的波形图。
在电磁波中，电场和磁场，实际上相当于两种不同形态的能量。而形成水波的木头，在处于波峰位置时，重力大于浮力，相当于有一个重力带来的向下的势能。当处于波谷位置时，浮力大于重力，相当于有一个浮力带来的向上的势能。而波动的过程中的运动和动能有关，就是非平衡状态趋向于平衡的过程。
水波其实就是两种势能在动能的作用下，的相互转换而形成的波。而电磁波则是由电场和磁场，两种不同状态的能量相互动态转换而形成的周期性变化状态。因为这种周期性变化的传播状态，类似于宏观世界的波动，所以将电场与磁场的这种相互动态转换而形成的周期性变化的传播状态，称为电磁波。
在电磁波中的电场和磁场，就是一对以波动形式周期性相互转换的非平衡状态，这种以波的形式周期性相互转换的状态，就是非平衡趋于平衡的状态。所以电磁波其实就是电场与磁场的三元平衡状态，这是一种最基础的三元平衡状态，同样也是最基础的三元平衡系统。而一般意义上的波（横波、纵波）也是一种三元平衡状态，所以两者之间会有很多相似的地方。
如果从三元平衡系统的角度，来看待传统物理理论中各种波的话，各种波之间其实也有一定的区别。例如，地震形成的波，虽然包含横波和纵波，但是地震横波和水波（横波）这样相对简单的“三元平衡系统”相比。从其微观系统的全局来说，地震波是地壳所受到的应力变化，导致的能量期性震荡传递的现象。
地震波其实一种通过物质（介质）的震荡，而向外传递的周期性震荡。还有如，声波这样的纵波，也是通过物质（介质）传递的一种周期性震荡。从系统的全局来说，无论水波、声波还是地震波，其实都是一种“三元平衡系统”产生的三元平衡现象。
但是又由于电磁波并非是一般理解的波，即电磁波并非一般意义上的横波，也不是一般意义上的纵波。因为一般意义上，无论横波还是纵波都是一种机械波，机械波都是两种非平衡作用力形成的能量（包括势能和动能），交替转换形成的波。而这种通过非平衡作用力形成的波，往往都需要通过介质才能传递。而形成电磁波的两个非平衡因素，都与作用力形成的能量不同，而是电场和磁场本身，所以电磁波是通过电磁辐射传播的波，不需要通过某种介质来传递。
电磁波的波动形态模型图，如图1-10所示：
图1-10，电磁波的波动形态模型图，电场和磁场交替增强或减弱，二者的波动关系是一种相互转化的关系，变化互为因果。电磁波以粒子（微观系统）的形态传播，但是这种粒子又呈现周期性变化，磁场和电场周期性转换，使得电磁波呈现出波粒二象性。
电磁波的传播方向和传递速度只和电场有关，和磁场的方向无关，而磁场可以影响电磁波的传播方向。
关于电磁波的传递方向和传递速度的问题，将会在本书后面的内容里详细论述。以及通过这方面的结论去解释自然界的一些自然现象，再通过一系列的自然现象和实验，反过来去论证电磁波的传递方向和传递速度与磁场无关。关于磁场在电磁波中起到的作用，会在本书后面内容里通过三元平衡定律详细论证。
那么电磁波的波形示意图又应该怎样去表示呢？传统科学家对电磁波的解释，并没有从电场和磁场能量的转换关系入手。
因为世界上所有的波，都是两种能量的转换形成的波动。例如，在水波中，处于波峰时是向下的势能，波谷时是向上的势能。由波峰到波谷时是向下的动能，由波谷到波峰时是向上的动能。水波其实就是两种势能，在动能作用下相互转换形成的波动。形成波的基本条件就是两种能量（非平衡）相互之间趋于整体平衡的动态转换，就是说世界上所有的波，都必须遵循三元平衡定律。
传统的电磁波的波形示意图，明显没有从三元平衡定律的角度出发。加上对电磁波传递方向以及认知上的谬误，导致了他们认为，波动方向等同于运动方向，或者波动的叠加方向等同于运动方向。其实这样的情况只存在于机械波中，因为电磁波并非机械波，所以按照机械波的惯性思维，去理解电磁波的传递方向必然会出现错误。
机械波是一种通过势能、动能、震动等产生的和力学有关的波，所以波动方向等同于运动方向。而电磁波则是一种电场和磁场的强弱周期性转换而形成的“类波”（微观粒子系统），所以这种“类波”并不是一种有形波。
也就是说电磁波的波动，其实只是强弱之间的周期性的波动变化，这种强弱上的周期性的波动变化，其实并不存在方向的问题。所以电磁波的传递方向，不能用机械波中，波的叠加去表示。电磁波只有电场的传递方向，电场的方向就是电磁波传播的方向。
图1-11，传统电磁波波形示意图，图中电磁波的传播方向是电场与磁场的叠加方向。
因为电磁波在传递过程中，电场和磁场周期性变化的波动中不存在能量损耗。所以在半个周期中，波动的示意图的形状为半圆形。表示在一个周期中，电场和磁场会完全相互转换，这种转换是没有能量损耗的，所以用电磁波波动关系示意图表示，这种电磁波波动关系图与有形波可用来表示频率的波形图不同。
电场和磁场波动关系示意图，如图1-12：
图1-12，电磁波能量波动关系示意图，其实也是三元平衡关系图。这种图只表示电场与磁场的转化关系，因为在电磁波中的波动，只是电场和磁场的能量周期性转换。电磁波并不是有形的机械波，所以电磁波波动关系示意图和有形的机械波的波形图是完全不同的两个概念。它只表示电磁波中电场和磁场能量的大小和转换关系，并不能用来表示电磁波传播方向，以及电场和磁场的方向关系，平衡轴与电磁波传播方向无关。电磁波波动关系示意图，也不能用来表示频率大小。
本章小结：
由系统非平衡状态转变为平衡状态，而发生的能量变化的过程，就是三元平衡的过程。三元平衡状态，是宇宙万物之间遵循的基本状态。三元平衡状态的过程中，又有三个最基本的状态，即非平衡、平衡、非平衡趋于平衡（即能量在系统内的变化或转移的过程）。
三元平衡定律：在一个系统内，两个非平衡状态趋于平衡状态的过程，就是三元平衡的过程。
三元平衡系统就是，遵循三元平衡定律运行而形成的系统，世界上的一切系统，全都必然遵循三元平衡定律。
世界其实是一个极其复杂而精妙的“三元平衡系统”，自然界中一切的自然科学现象，其实也是这个“极其复杂而精妙的三元平衡系统”运行而呈现出来的局部现象。复杂系统的这种运行，就是一种复杂的非平衡趋于整体上的平衡的过程。
本书就是通过利用“三元平衡定律”将形成这个“极其复杂而精妙的三元平衡系统”拆解为最小的基础系统，然后通过“三元平衡定律”来讲解最小的基础系统运行的法则，最后结合“基础系统”运用“三元平衡定律”的基本理论，倒推出“极其复杂而精妙的三元平衡系统”的形成规律。
系统的概念：既包括呈周期性变化的所有形式的波动，也包括以思想意识建立起来的某种体系，还包括两种以上的事物临时产生的某种相互间作用，而形成的临时系统。
例如，某个粒子（系统）从一个充满粒子的环境中（环境系统，这是粒子与粒子之间共同作用形成的大系统）发射到真空环境中，变成一个理论上独立的粒子（粒子系统的环境发生改变）。
在理论上阐释三元平衡系统的时候，人们一般会在脑海中想象一个独立的系统，而事实上世界上不存在任何一个绝对完全独立的系统，系统与系统之间都会相互影响、相互作用。这种相互影响、相互作用就是系统与系统之间，形成更加复杂系统的前提条件。而两个互影响、相互作用的系统，就是形成“更加复杂系统的两个非平衡因素”。
世界上一切的波，其实都是某种三元平衡状态。水波如此，电磁波这样的“类波”同样也如此，而纵波也是一种三元平衡状态，只不过这种纵波的三元平衡状态，相比于水波这样的横波，用三元平衡理论解释要复杂一些。
变化的电场会产生一个磁场，变化的磁场和变化的电场会产生变化的电磁场。变化的电场其实是电场转换磁场的过程，变化的磁场也是磁场转换电场的过程，所以变化的电场会产生磁场，变化的磁场也会产生电场。
在传统物理学中，有一种叫做静电场的东西，而静电场容易被人们误解为是一种恒定的电场，其实这是一种极大的错误。由于本书写到这里才是刚刚开始，还没有到解开静电场秘密的时候，所以先不在这里展开论证。我们会在下一章《电磁波及其衍生系统》中，揭开静电场的奥秘。
这里提到静电场，其实只是为了说明磁场和电场的关系。如果将静电场看成是一种稳定的电场的话，那么当静电场移动时，就会在周围环境中成为一个变化的电场。根据三元平衡定律或其他物理定律，变化的电场就应该产生磁场。而变化的电场和变化的磁场就会形成电磁波，这显然是一个错误的论述。
电磁波其实是，电场和磁场相互转换的三元平衡系统。电磁波并不是一种有形波，而是两种能量相互转换而形成的周期性变化的状态。即电场（相当于势能）和磁场（相当于另一种势能），通过变化的磁场（相当于由势能形成的动能）和变化的电场（相当于由另一种势能形成的另一种动能），形成的呈周期性变化的非有形波。这种非有形波，其实是一种有着周期性变化特征的粒子，这也就是光波（电磁波）具有波粒二象性的最根本原因。
电场和磁场交替增强或减弱，二者的波动关系是一种相互转化的关系，变化互为因果。电磁波以粒子的形态传播，但是这种粒子会呈现出一种周期性的变化，就是磁场和电场周期性转换，使得电磁波呈现出波粒二象性。
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