03.03 機械波、電磁波、物質波和引力波從物理學上看有什麼異同?

李志慨


對這四個名詞一一解釋之後你應該就清楚了

機械波:物質的機械振動在介質中的傳播被稱為機械波,這個介質可以有很多,純水、空氣、鹽水、鐵、銅等,在真空中不能傳播。機械波的傳播過程為首先有一個振動源頭,振源的振動將能量傳遞給周圍的介質,周圍的介質接收到能量後也跟著振動,周圍的介質再碰撞它周圍的介質使其振動,由於振源在源源不斷的輸送能量,這樣的振動也就得以傳播開來。比如用手不停地在水裡攪動,由於手撞到了水,把能量傳給周圍的水,周圍的水再把能量傳給它周圍的水,從而引起水面波動,形成水波,這就是一種機械波。常見的機械波還有聲波、地震波等等。

電磁波:根據法拉第的電磁感應定律,變化的電場能在其周圍產生相關的磁場,同時變化的磁場也能在周圍產生相關的電場。電磁波就是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中做週期性電磁感應而產生的波,傳播速度為光速,具有粒子性質,高能量的電磁波具有強烈的粒子性質,在照射到生物體時,其粒子能夠對生物造成傷害,當然,這種電磁波很難見到,一般在醫院的放射性檢查室或者地球外的宇宙空間中才能見到。我說這一段的目的主要是為了闢謠日常生活中的電磁輻射對人有害的問題,對於日常生活中的電磁輻射,由於其電磁波帶有的能量很低,比可見光都要低不少,那樣的電磁波的粒子性特別低,波動性特別強,所以手機信號能夠繞開一些障礙物傳到其他手機裡。如果那樣的電磁波都能對人造成傷害,那太陽光能殺死你一百次了。

物質波:物質波也叫德布羅意波,它是一種概率性的東西,通過對它做一些數學和物理上的變換,人們發現它所描述的和上面兩種波不一樣,物質波描述的是一個物體(一般是微觀粒子)在空間中的某個位置在某時某刻出現的概率,也就是說它是一個概率波。舉個例子:我們知道原子核外是電子,如果我們想知道某時某刻電子的具體位置,就可以通過一些相關定理的計算,算出電子某時某刻出現在某個地方的“概率”,概率越高,物質波強度越高。

引力波:LIGO在2016年首次發現了引力波的存在讓引力波這個詞突然大火了起來。引力波這個概念最早由愛因斯坦在他的廣義相對論中提出,他在廣義相對論中說到,時空可彎曲,彎曲的程度可用時空曲率表示,時空彎曲的程度越大,該處的時空曲率越大。當空間的彎曲程度發生變化時,時空曲率則會改變,並且會以波的形式向外傳播,這就是引力波。對於引力波的形象解釋可以把空間比喻成水,在靜止的水平面上投下一塊石頭,水面就會形成層層漣漪,而引力波就是空間發生改變之後產生的層層漣漪。

以上就是這四種波的區別。


懷疑探索者


機械波,顧名思義,就是由於機械震動在介質中傳播而形成的波。在這個過程中,傳播的是“震動”的形態和所攜帶的能量,波源並沒有跟著一起傳播。一個例子就是我們手執繩子一段擺動,這是在繩子上就會形成波動,這就是機械波。

電磁波是由於電場和磁場的相互作用而產生的波。根據相關理論,變化的電場激發磁場,變化的磁場激發電場,它們之間的這種相互作用在空間傳播就形成所謂的電磁波。比如,我們最熟悉的光就是一種電磁波。電磁波的傳播不僅伴隨著能量的傳遞,還可以攜帶微觀粒子在空間傳播,比如,光的傳播就攜帶著光子。

物質波其實是一種假設,是德布羅意根據量子力學而而作出的一種建設,認為,宏觀物質也具有波粒二象性,它們的波動可以由德布羅意物質波關係式得出。後來,隨著量子力學的發展,證明這種物質波是存在的,只是對於宏觀物質來說,很難察覺,在微觀世界,這種效應非常明顯。

而引力波是愛因斯坦根據廣義相對論提出的一種更詭秘的波,根據它的定義,就是因為物質之間的相互吸引形成的一種波。在產生的機制上,愛因斯坦認為是時空彎曲而形成的,這種波仍然可以在空間傳播,從而可以被我們觀測到,特別是大型天體相互碰撞合併的時候,引力波效應更加明顯,這是我們觀測的好時機。


洪哥看世界


題主說的這四種波基本是物理學中所必須涵蓋的波類。

從人類發現的時間順序來看,機械波有數千年的歷史的,其次是電磁波,然後是物質波,再然後是引力波。

這四種波可以按傳播過程是否需要介質來劃分。那麼機械波就是一個個例,其他三種波都不需要介質。機械波是很常見的一種波動,水波,地震波,爆炸產生的衝擊波等等都屬於機械波。水波傳遞的介質是水分子,地震波的介質是地幔和地殼。衝擊波的介質是空氣。


而電磁波就不需要介質了。因為它可以在真空中傳播,這是由於電磁波本身就攜帶了光子這樣的傳播子。光子的運動具有波粒二象性,也就是說光子的運動形式既是粒子性的又是波動性的。

這也啟發了一個名為德布羅意的物理學家,他認為原本是光子的粒子在傳播過程中不僅具有粒子性還具有波動性。那麼他同理反問了一遍自己?那麼其他被認為是隻具有粒子性的物質是不是也具有波動性呢?他的隨後研究證實了他的猜想。除了光子,電子,所有微觀粒子都具有波粒二象性。引申到宏觀物體,所有的物質都具有波粒二象性。不過越是宏觀的物體,其波動性越不顯著,但是並不代表我們人體沒有波動性。


這就是物質波,它的發現是根據波粒二象性推理類比出來的。

而引力波是1916年預言,2015年發現的一種全新形式的波,它描述的是空間的波動,引力波的傳播是空間漣漪的傳播。

所以,這四種波都有不同的特徵,唯一的相同點是它們都是波動性傳播的。


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