机械波与电磁波的统一

马海飞

(http://blog.sina.com.cn/gfis 2012年1月29日)

物理现象中的波可以分为两大类：一类是机械波，另一类是电磁波。目前的物理学理论认为这两种波之间有着本质上的不同：机械波的传播需要介质，而电磁波不需要介质。并且认为二者之间没有任何必然的联系。然而，这一观点存在一个很严重的问题，那就是：如果没有介质的存在，电磁波的传播过程中是无法从物理机制上得到合理解释的。而如果一个物理现象不能从物理机制上得到解释，那就说明人们对那个物理现象的认识是错误的。

随着物质质量场的发现，我们知道了所有的物质都具有“质点与场的二象性”^[1]。这为我们从物理机制上理解机械波与电磁波之间的关系提供了理论依据。不仅如此，从光速不变现象中得知，质量场是光在“真空”中的传播介质^[2]。因为光的本质是电磁波。因此可以认为，质量场不仅是光的传播介质，也是所有电磁波在空间中传播的介质。这样，知道了物质的质点与场的二象性，又找到了电磁波的介质，我们就可以很容易地把机械波与电磁波从物理机制上统一起来了。

1.  机械波是以物质的质点为介质传播的波。机械波的传播过程离不开质点的存在。靠近振源的质点在受到振源物质的周期性振动作用后就会在原地以原点为中心随着振源做同样的往复运动，并把这种运动以同样的形式传递给靠近它的质点。这样就以众多质点有序的原地振动形成了波的形式。这就是机械波。人们通常说的“真空”指的是“没有质点存在的环境”，所以，机械波是不能在真空中传播的。

2.  电磁波是以物质的场为介质传播的波。电磁波的传播离不开场的存在。电磁波振源中的波源物质（通常是一些粒子）也是物质，因此也具有质点与场的二象性。它们的振动导致了它们的场密度出现周期性变化。这种场的周期性密度变化以质量场作为介质传递出去就形成了电磁波。所以，电磁波只能通过场向外传播，而不需要质点的存在。因此，电磁波在没有质点的“真空”环境中照样可以传播。

3.  机械波与电磁波的统一。从以上对机械波和电磁波的产生过程就不难看出，它们都是波源物质的振动结果。机械波是以质点为介质传播出去的，电磁波是以场为介质传播出去的。二者都不伴随物质质点随着波的传播过程的同步迁移。因为物质同时具有质点与场这两个性质，所以，机械波与电磁波最终统一到了物质的质点与场的二象性上。它们仅仅是物质周期性运动（振动）的不同表现形式而已。物质的周期性运动通过质点传播出去的就是机械波，通过质量场传播出去的就是电磁波。因为质点有质量，因此机械波的传播比较困难。而场没有质量，因此电磁波的传播比较容易。所以，物质以同样能量的振动所产生的机械波和电磁波的传递距离大不相同。光源粒子的振动（例如蜡烛的火苗中的粒子振动）所产生的机械波几乎无法察觉，但它产生的电磁波——“光”确可以传递很远（相对机械波而言）。

机械波与电磁波的统一对我们从物理机制上理解众多物理现象具有非常重要的意义。例如，声波与光波之间虽然不同，但仅仅是振源与介质上的不同而已。它们都是物质振动通过介质传递出来的波。这样，我们就可以用声波的物理机制来解释光波的物理机制。用声的多普勒效应机制来解释光的多普勒效应。这有助于人们认清光的本质等问题，并能够起到让科学研究更加简化的功效。自然现象并非像以前的物理学理论描述的那么复杂和不可思议。

参考阅读：

[1] 大统一理论的基础应该是“质点与场的二象性” （2010年10月13日) http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100m3q4.html

[2] 为什么“光速不变”？ （2009年12月27日）http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100gdzq.html