辐射和电磁场，电磁波的关系说明
第二十八章：辐射和电磁场，电磁波的关系说明
上一章我问了一个问题，就是关于辐射和电磁场的关系问题。这个具体问题是什么？我们先不点破，先来看看基础知识的定义。
辐射：物理学上的辐射指的是能量以波或是次原子粒子移动的型态，在真空或介质中传送。
辐射之能量会从辐射源往外向所有方向直线放射。一般依其能量的高低及电离物质的能力分类为电离辐射和非电离辐射。电离辐射所携带的能量大于10电子伏特(eV)，可以将原子或分子电离、打断化学键，非电离辐射则否。
也就是说自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度以上，都以波和粒子的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量的方式被称为辐射。
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电场：电场是存在于电荷周围能传递电荷与电荷之间相互作用的物理场。在电荷周围总有电场存在；同时电场对场中其他电荷发生力的作用。观察者相对于电荷静止时所观察到的场称为静电场。如果电荷相对于观察者运动，则除静电场外，还有磁场出现。
磁场：在电磁学里，磁石、磁铁、电流及含时电场，都会产生磁场。处于磁场中的磁性物质或电流，会因为磁场的作用而感受到磁力，因而显示出磁场的存在。磁场是一种矢量场；磁场在空间里的任意位置都具有方向和数值大小。
磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用接触就能发生作用。
电磁场：电磁场是由带电粒子的运动而产生的一种物理场。处于电磁场的带电粒子会受到电磁场的作用力。电磁场与带电粒子（电荷或电流）之间的相互作用可以用麦克斯韦方程组和洛伦兹力定律来描述。
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电磁场可以被视为电场和磁场的连结。追根究底，电场是由电荷产生的，磁场是由移动的电荷（电流）产生的。对于耦合的电场和磁场，根据法拉第电磁感应定律，电场会随着含时磁场而改变；又根据麦克斯韦-安培方程，磁场会随着含时电场而改变。这样，形成了传播于空间的电磁波，又称光波。无线电波或红外线是较低频率的电磁波；紫外光或X-射线是较高频率的电磁波。
电磁场涉及的基本相互作用是电磁相互作用。这是大自然的四个基本作用之一。
从经典角度，电磁场可以被视为一种连续平滑的场，以类波动的方式传播。从量子力学角度，电磁场是量子化的，是由许多个单独粒子构成的。
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电磁波：电磁辐射，又称电磁波，是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。
好了，我们介绍了5个概念的基本定义。我们知道了电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量。又知道了万物皆有辐射。且以电磁波和粒子的形式向外辐射能量。那么万物都有辐射电磁波的能力吗？ 都具有磁场或电磁吗？
这个问题是别人留言问我的，其实这个问题不难。留言的人是大学生，他是被国内百科知识误导了。万物皆有辐射没有问题，我们身边的任何东西都有辐射。
可是说万物都以辐射电磁波和粒子的形式向外传递能量，就是不严谨的。准确的定义是万物以波或粒子的形式向外辐射能量。波和电磁波是不同的。一个指一类事物，一个指具体事物。就好水果和苹果的区别。
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就像国内这道题目一样，开头就说：“我们周围的一切物体都向外辐射电磁波？”这样说正确吗？就像我上面说的，这个描述不够严谨。一切物体向外辐射波，波的类型包含电磁波。
再问大家一个问题，帮助大家理解：引力波是辐射波吗？超声波波是辐射波吗？
答案不言而喻，肯定是的。引力波是波，是空间能量以引力波的形式向外传播，所以是辐射波。超声波也是，地震波也是。
可是我们不会说引力波是电磁波，也不会说地震波是电磁波。所以辐射波包含电磁波。辐射现象包含了电磁辐射，这就是它们的关系。答案并不难。
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其实这位朋友内心的真正困惑应该是这样的，电磁波的形成是有条件的，也就是我们上面所说的同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式传递能量和动量。那么任何物体都具备这样条件吗？
也就是一杯水，一个人，一棵树都是在向外辐射电磁波。这是没有问题的。可是为什么呢？ 答案是这样的。一切物体都具有温度，且在绝对零度之上。那么它就要向外有热辐射。
而热力学上认为当物质的原子或分子高于绝对零度时候，分子或原子都会做不规则的运动。
原子由原子核和电子组成，电子带电荷，电子运动使得周围空间的电场发生不断的变化，我们知道，变化的电场能产生磁场，变化的磁场又能产生电场，这样的不断循环就产生电磁波了。
麦氏电磁场理论说简单点就是变化的电场能产生磁场，变化的磁场产生电场。根据电磁感应定律，磁场恒定无法产生电场，磁场均匀变化产生的是恒定电场，磁场呈二次函数变化产生的是均匀变化的电场，磁场的其他变化产生的就是非均匀变化的电场了，就可以产生电磁波了。
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这就是为什么一切物体都辐射电磁波了。红外热成像仪就是利用这个原理工作的，它探测的是热辐射。
提到热，再跟大家多说一点，我觉得很重要。有一些“词”专属于人类。比如“热”这个词就是。热或冷【温度】我们是知道是粒子运动激烈程度的度量。 但对于无生命体来说，热和冷没有区别，因为没有感觉。
所以看热和冷的本质就是物体粒子运动的激烈程度，只是这种状态的描述我们用“冷或热”。
还有人会问，那么一切物体向外辐射能量，比如一个杯子，100年它还好好的，那它为什么没有变小或者消失？
这个问题也不难。杯子在向外辐射能量的时候，也吸收热辐射，所以基本可以持平。但是有的物体，就是会变小，甚至消失。
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比如一根火柴，你点燃它，它是变小了，变轻了，化成灰烬了。还有我们每天见的太阳。总有一天，太阳辐射会停止。
再来回答一个问题，有人问：“电磁场中的电磁波指向无穷远，而不是闭合的回路。这和磁力线必须闭合矛盾吗？”
首先这是不矛盾的，为什么矛盾呢？ 我们可以看看下面的答案。
初中，高中老师都讲过‘磁场线一定要闭合’，但从大学物理的角度来看，这句话并不严谨。首先，这句“磁场线一定要闭合”的描述，不是科学家定义的公理或者公式证明出来定理，它只是高斯磁定律的一种结果。高斯磁定律(前提是磁单极子不存在)阐明，磁场的散度等于零。
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其中，S是任意一个闭曲面，ds是微小面积分。(这个关于磁场的散度积分方程同时是麦克斯韦方程组四个公式之一。)
‘磁场线闭合’只是高斯磁定理的充分而非必要条件。
充分性：如果有一条闭合的磁场线，我们总是能够找到一个足够大的闭合曲面将其完全包裹，从而实现磁通量的‘零泄漏’。由于这个曲面是任意的，假如一根磁场线从一边穿进，再完全从另一边穿出，同样也是满足通过任意闭合曲面的磁通量恒为零这一要求的。
必要性：我们知道，电场是可以有源的，对应的是一个激发它的源电荷。但磁场的散度恒为零，表明磁场线并不能像电场线那样可以存在一个对应的起点或者终点（如果取的曲面只包裹起点那一小段，将违背‘通过任意闭合曲面的磁通量恒为零’），所以人们才常说磁场线是闭合的。但我们想象一种特殊情况，若是两个端点都在无穷远处，这同样也是满足高斯磁定理的。而平面电磁波的横磁场便是这样的一种特殊情况。
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上图表示的是一种最简单的理想平面电磁波，无源，真空介质。其中电场、磁场、传播方向三者两两垂直，符合右手螺旋法则。图中箭头表示的是矢量而非场线（也可以说是场线在观察点处的切线），其箭头方向表明该点处电场或磁场的方向，箭头长短描述电场或磁场强度的大小。
其数学表达如下【专业的可以看看。公式我本人也迷茫】,
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其中， η为真空中波阻抗，k为波数。电场E只有y分量，磁场H只有z分量，二者同相位。电磁波沿x轴传播。
如果我们取一与x轴垂直的平面，即等相位面，画出电场线、磁场线，
我们可以看到电场线、磁场线应为互相垂直的两组平行线（均匀平面波情况下，该平行线间距相同。）若沿着x轴移动该平面，平行线箭头方向会改变，但两组平行线的关系依旧，各从无穷远延伸至无穷远。为了验证高斯磁定理，我们可以取任意的一个闭合曲面，无论怎么取，通过它的净磁通量总是为零，因为所有进入的磁感线都全毫无意外地流出来了。电场线，磁场线在无穷远处各自闭合了。
话说回来，其实平面电磁波只是一种极端理想的情况，只有无限大场源才能辐射均匀平面波。正是因为我们造不出这样一个无限大的场源，导致所谓的平面电磁波只能永远看做成一种近似。结果就是，电场线和磁场线其实还是各自在很远的地方各自闭合，互为交链。只不过这个圈圈确实很大而已。就像下图一样。
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我们都知道，这种磁感线在课堂中老师说延伸至无穷远，事实上我们也无法去验证这个实验。但我们不能说没有验证就不可靠。
类似的现实中不能验证的理论，还有很多。我们依然认为它们是真理。这个我在《变化》写过不少例子，大家可以去看看。
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同样，通过这个问题，我们还可以想到引力。引力的作用范围也是无穷远的，这也是我们课本上学习的。也就是地球的引力所覆盖的范围是全宇宙。你作为一个人，所具有的引力覆盖的范围也是全宇宙。
这样想是不是会觉得很有意思。我坐着不动，但其实我和全宇宙的一切物质都有联系。我已经到达了全宇宙的任何一个星球之上。
物理就是这样的有意思。但世界并不是我们像的那么简单。它的美妙是多样的。所以理解世界的方式不要拘泥。我什么也不懂，我只是在表达我的想法。今天就给大家分享到这里。
摘自独立学者，诗人，作家，国学起名师灵遁者量子力学书籍《见微知著》
