1.“波”究竟是一種什么東西?
教科書(shū)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(shū)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(shū)上說(shuō),“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??例如一根繩子,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(méi)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(shuō),當(dāng)?shù)谝粋€(gè)質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置開(kāi)始向上振動(dòng),后面還有沒(méi)有質(zhì)點(diǎn)像在地球上那樣依舊沒(méi)有從平衡位置開(kāi)始向上振動(dòng),從而為“機(jī)械波”的產(chǎn)生創(chuàng)造可能?
書(shū)上說(shuō),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(lái)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(lái),那為什么又會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)延遲?也就是說(shuō),如果介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)符合“簡(jiǎn)諧波”的條件,即沒(méi)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(kāi)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(kāi)始振動(dòng)的時(shí)刻晚或者后一質(zhì)點(diǎn)開(kāi)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(shū)上說(shuō),“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(shuō),“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(chē)、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(shuō),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(chē)、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(chē)、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(shū)上說(shuō),“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(guò)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(lái)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(wèn)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(shū)上說(shuō),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(shuō),“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(méi)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(méi)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(shū)上說(shuō),“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(shū)上說(shuō),“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(shū)上說(shuō),“電磁場(chǎng)”是與“強(qiáng)度”的概念相聯(lián)系的。如果按照書(shū)上說(shuō)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(lái)的?
7.“場(chǎng)”究竟是一種什么東西?
書(shū)上說(shuō),“場(chǎng)”是一種特殊物質(zhì),看不見(jiàn)、摸不到,甚至不能被感知,但它確實(shí)存在。這種說(shuō)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(shū)上說(shuō),“場(chǎng)”是通過(guò)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(shuō)物體周?chē)嬖凇耙?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(shuō)電荷周?chē)嬖凇半妶?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(shuō)磁極周?chē)嬖凇按艌?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(shuō)“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(wèn)太陽(yáng)為什么能夠吸引地球?回答是因?yàn)樘?yáng)周?chē)小皥?chǎng)”,“場(chǎng)”把地球吸引了;如果再問(wèn),“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(wèn),“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(shuō)這本就是太陽(yáng)或地球的特性?況且,太陽(yáng)看得見(jiàn),地球摸得著,實(shí)實(shí)在在,而“場(chǎng)”看不見(jiàn)、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?