“波”的疑問

1.“波”究竟是一種什么東西？

教科書對(duì)“波”的基本概念的闡述是：“波是振動(dòng)狀態(tài)的傳播”。那么，振動(dòng)狀態(tài)為什么能夠“傳播”？既為“傳播”，則必然表示振動(dòng)狀態(tài)具有時(shí)間上的先后性。那么，這種時(shí)間上的先后性是如何造成的？

2.“機(jī)械波”究竟是如何產(chǎn)生的？

教科書對(duì)“機(jī)械波”的定義是“介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間振動(dòng)狀態(tài)的傳播”。那么，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間為什么可以“傳播”振動(dòng)狀態(tài)？書上說，“機(jī)械波”是由于各個(gè)位置上的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)不一致而產(chǎn)生的。那么，這個(gè)振動(dòng)步調(diào)的不一致是什么原因?qū)е碌模坷缫桓K子，一端的質(zhì)點(diǎn)在外力作用下首先向上振動(dòng)，那么是什么原因?qū)е潞竺娴睦K子質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)依次要比前面的質(zhì)點(diǎn)晚？

可以設(shè)想一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把這根繩子放到?jīng)]有任何外力干擾的絕對(duì)太空空間里，即在沒有外力對(duì)第一個(gè)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行受迫振動(dòng)之前，繩子是完全自由的。然后還像在地球上那樣讓一端的繩子質(zhì)點(diǎn)首先向上振動(dòng)，那么后面的繩子質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)還會(huì)不會(huì)像在地球上那樣依次要比前面的質(zhì)點(diǎn)晚？或者說，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置開始向上振動(dòng)，后面還有沒有質(zhì)點(diǎn)像在地球上那樣依舊沒有從平衡位置開始向上振動(dòng)，從而為“機(jī)械波”的產(chǎn)生創(chuàng)造可能？

書上說，盡管后面的質(zhì)點(diǎn)依次要比前面的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)晚，但是后面的質(zhì)點(diǎn)卻是由于與前面的質(zhì)點(diǎn)存在“剪切應(yīng)力”這種作用而被前面的質(zhì)點(diǎn)帶起來的。那么，“剪切應(yīng)力”究竟是一種什么力，它的實(shí)質(zhì)是什么？

3.“簡(jiǎn)諧機(jī)械波”這一概念究竟是否自洽？

既然這種“剪切應(yīng)力”可以使前面的質(zhì)點(diǎn)將后面的質(zhì)點(diǎn)帶起來，那為什么又會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)延遲？也就是說，如果介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)符合“簡(jiǎn)諧波”的條件，即沒有阻尼，那么原本不受任何外力的某一靜止質(zhì)點(diǎn)，某一時(shí)刻突然受到前一質(zhì)點(diǎn)的“剪切應(yīng)力”的作用，自然它會(huì)開始振動(dòng)，那么是不是“剪切應(yīng)力”的產(chǎn)生時(shí)刻要比前一質(zhì)點(diǎn)開始振動(dòng)的時(shí)刻晚或者后一質(zhì)點(diǎn)開始振動(dòng)的時(shí)刻要比“剪切應(yīng)力”作用在該質(zhì)點(diǎn)的時(shí)刻晚？如果晚，為什么會(huì)晚？如果不晚，那么“機(jī)械波”是否還有產(chǎn)生的可能？

書上說，“簡(jiǎn)諧機(jī)械波”就是忽略了介質(zhì)的阻力后的“無(wú)阻尼”的“波”，這一定義是否自洽？“無(wú)阻尼”了，是否還會(huì)有質(zhì)點(diǎn)之間的振動(dòng)延遲，是否還會(huì)有“波”？如果有，那么延遲是何種除阻尼之外的因素導(dǎo)致的？或者說，“無(wú)阻尼”究竟是“波”的一種理想狀態(tài)，還是“波”的對(duì)立面？例如，研究一個(gè)物體受推力后的運(yùn)動(dòng)情況，如果界面光滑，自然可以忽略摩擦力，因?yàn)槟Σ亮Φ拇嬖谂c否并不是推力存在與否的必要條件，它們各自獨(dú)立。但是，“阻尼”與“波”是否屬于這種情況？

4.“機(jī)械波”究竟是一種物理實(shí)體，還是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者只是一種幾何圖形？

質(zhì)子、電子、小球、小車、地球、太陽(yáng)等等都是物理實(shí)體，為了研究它們的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)系，就賦予了它們速度、動(dòng)量等物理概念，以便于進(jìn)行量化研究。比如，物體如果不受外力，則保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；物體如果受外力，則會(huì)產(chǎn)生加速度，從而進(jìn)行變速運(yùn)動(dòng)等。也就是說，物體是研究的對(duì)象，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是研究的結(jié)果。那么“機(jī)械波”究竟是屬于什么概念？它是屬于等價(jià)于質(zhì)子、電子、小球、小車、地球、太陽(yáng)等的物理實(shí)體概念，還是屬于等價(jià)于勻速直線運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)等的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)概念，或者屬于其它概念？

物理實(shí)體自然可以作為研究對(duì)象，賦予其速度、動(dòng)量等概念以研究其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，例如質(zhì)子、電子、小球、小車、地球、太陽(yáng)等。但是，這些既然是物理實(shí)體，自然都可以確定其元素組成、分子式、分子量、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)等等基本的物質(zhì)屬性。如果“機(jī)械波”是物理實(shí)體，那么它的元素組成、分子式、分子量、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)是什么？

如果“機(jī)械波”不是物理實(shí)體，而是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么它是誰(shuí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？是第一個(gè)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的，還是第二個(gè)、第三個(gè)、第四個(gè)的？書上說，“簡(jiǎn)諧波”的所有介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是相同的，都是“簡(jiǎn)諧振動(dòng)”。既然如此，那么“簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程”完全可以描述所有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。到此，對(duì)于所有質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的研究這一物理學(xué)過程已經(jīng)完成，那么又為何多此一舉提出“波動(dòng)方程”？“波動(dòng)方程”描述的對(duì)象是什么？是某一個(gè)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，還是所有介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)？況且，無(wú)論是某一個(gè)質(zhì)點(diǎn)還是所有質(zhì)點(diǎn)，“簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程”都可以描述，那么“波動(dòng)方程”還有何意義？

如果“機(jī)械波”只是某一時(shí)刻無(wú)數(shù)個(gè)不同位置上的質(zhì)點(diǎn)連接起來的一種“幾何圖形”，那么它是否還屬于物理學(xué)范疇？介質(zhì)中的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)毫無(wú)疑問屬于物理學(xué)中的動(dòng)力學(xué)范疇，但是由無(wú)數(shù)質(zhì)點(diǎn)組成的“幾何圖形”的變化究竟屬于什么范疇？給這樣一種“幾何圖形”定義出一個(gè)“速度”的概念究竟有何物理意義？“波動(dòng)方程”的解里面的那個(gè)被認(rèn)為是“波速”的常數(shù)的物理意義究竟應(yīng)該是速度，還是一個(gè)反映介質(zhì)材質(zhì)自身屬性的物理量？

5.“電磁波”究竟是一種什么東西？

書上說，完全是因?yàn)椤半姶艌?chǎng)波動(dòng)方程”與“機(jī)械波波動(dòng)方程”的形式相同，因此電磁場(chǎng)被推斷為“電磁波”。也就是說，“機(jī)械波”其實(shí)是進(jìn)行“電磁波”推斷的一個(gè)模子。那么，依據(jù)“機(jī)械波波動(dòng)方程”類比“電磁場(chǎng)波動(dòng)方程”從而推斷“電磁波”的根據(jù)是什么，有何物理意義？

“機(jī)械波”是由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)延遲造成的，而“電磁波”沒有介質(zhì)。那么，“電磁波”的產(chǎn)生機(jī)制是什么？“機(jī)械波”的“波形”是根據(jù)無(wú)數(shù)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位置勾勒出的，而“電磁波”沒有介質(zhì)，那么“電磁波”的波形該如何確定？

前面提到，“機(jī)械波”究竟是一種物質(zhì)，還是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者只是一種幾何圖形？那么，“電磁波”究竟是什么？是一種物質(zhì)，還是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者是一種幾何圖形，又或者甚至連幾何圖形都無(wú)法勾勒？

如果“電磁波”是物質(zhì)，那么它的元素組成、分子式、分子量、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)是什么？

如果“電磁波”只是代表一種變化規(guī)律，那么，“電磁場(chǎng)波動(dòng)方程”里面的那個(gè)被認(rèn)為是“電磁波速度”的常數(shù)的物理意義究竟是什么？它是“電磁波的速度”，還是反映電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離變化的一個(gè)系數(shù)？

6.“電磁場(chǎng)”究竟是一種什么東西？

書上說，“電磁波”是在研究交變“電磁場(chǎng)”時(shí)推斷出的概念，那么“電磁場(chǎng)”究竟是什么？書上說，“電磁場(chǎng)”是一種物質(zhì)，那么它的元素組成、分子式、分子量、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)是什么？

書上說，“電磁場(chǎng)”是與“強(qiáng)度”的概念相聯(lián)系的。如果按照書上說的“電磁場(chǎng)”是物質(zhì)，那么這種物質(zhì)是怎樣和“強(qiáng)度”這樣一個(gè)表示作用力大小的物理量聯(lián)系起來的？

7.“場(chǎng)”究竟是一種什么東西？

書上說，“場(chǎng)”是一種特殊物質(zhì)，看不見、摸不到，甚至不能被感知，但它確實(shí)存在。這種說法的根據(jù)是什么？如果“場(chǎng)”是物質(zhì)，那么它的元素組成、分子式、分子量、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)是什么？

書上說，“場(chǎng)”是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定的。例如，實(shí)驗(yàn)測(cè)定物體與物體之間存在吸引，于是就說物體周圍存在“引力場(chǎng)”這種物質(zhì)；實(shí)驗(yàn)測(cè)定電荷與電荷之間存在吸引或排斥，于是就說電荷周圍存在“電場(chǎng)”這種物質(zhì)；實(shí)驗(yàn)測(cè)定磁極與磁極之間存在吸引或排斥，于是就說磁極周圍存在“磁場(chǎng)”這種物質(zhì)；諸如此類。

那么，為什么一種客觀物質(zhì)的存在與否需要測(cè)定？盡管實(shí)驗(yàn)測(cè)定出了吸引或排斥的現(xiàn)象，但是這些現(xiàn)象究竟是代表了某種物質(zhì)，還是某種作用力？能不能說“作用力”就是“物質(zhì)”？

實(shí)際上，“場(chǎng)”這種概念最初是為了解釋為什么物質(zhì)之間有作用力而被提出的，并在之后被認(rèn)為是一種物質(zhì)。比如，問太陽(yáng)為什么能夠吸引地球？回答是因?yàn)樘?yáng)周圍有“場(chǎng)”，“場(chǎng)”把地球吸引了；如果再問，“場(chǎng)”為什么就能把地球給吸引了呢？回答是這是“場(chǎng)”的特性；接著再問，“場(chǎng)”為什么就有這種特性？又該如何回答？既然如此，為何不能說這本就是太陽(yáng)或地球的特性？況且，太陽(yáng)看得見，地球摸得著，實(shí)實(shí)在在，而“場(chǎng)”看不見、摸不著，虛無(wú)縹緲，那么直接定義為吸引是太陽(yáng)或地球的特性豈不是更合理？

究竟是因?yàn)榇_實(shí)存在“場(chǎng)”，從而把物體吸引，還是因?yàn)槲矬w之間本就存在吸引這種客觀作用，使得“場(chǎng)”被主觀感知到了客觀的物質(zhì)世界里？