为什么电磁波在介质中的传播速度可以在真空中传播？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-10-12 04:20 标签： 电磁波在介质中的传播速度
不惑之道 2019-06-05 19:07:29 好评回答 因为他不是物质（机械）波！波是状态的传播。一般的声波就是空气的疏密相间的状态的扩散，水波就是局部水面高（低）于平均液面状态的扩散。这些状态都是在表示某种物质的形态，所以要传播当然需要介质，介质就是被传播的状态表示的那种物质（声波是空气，水波是水面，注意并不是水！）。但是电磁波是场波，他是电磁场强度大小状态的扩散传播，场（或者说势）是反映空间能量分布的，不是表征某种物质的状态，所以只要有空间（就有能量分布，要么是高于要么，是低于势能零点）电磁波就可以传播。同样，引力波也是不需要介质的，你拿一个很大的球，晃动，他的引力中心发生了变化，周围的引力场也变化了，这种变化传播开了，就形成了引力波，只是一般引力波都太小了，无法监测。 不惑之道 2022-01-19 17:35:35
声波是机械波。机械波的产生有两个条件：波源和弹性介质。相邻的介质质元之间存在相互作用，这样才能一个接一个被带动着振动起来，使得振动状态能由近及远地传播。因此，机械波的传播离不开介质，它不能在真空中传播，它归根结底是实物粒子的振动的传播。电磁波是振动的电磁场的传播，它的传播机制是电磁感应，也就是常说的“变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场”。电场和磁场交替激发，就产生电磁波了。电磁波可以在真空中传播。场本身就是区别于实物的一种物质存在形式，它并不需要实物载体。下面是真空中的麦克斯韦方程组：\begin{cases} \nabla\times\mathbf{E} = -\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}, \quad (1) \\ \nabla\times\mathbf{B} = \mu_0\varepsilon_0\frac{\partial\mathbf{E}}{\partial t}, \quad (2) \\ \nabla\cdot\mathbf{E} = 0, \quad (3) \\ \nabla\cdot\mathbf{B} = 0, \quad (4) \\ \end{cases} 其中的（1）式和（2）式描述了电场和磁场的相互激发，方程组整体和介质没有关系。接下来对（1）式两边取旋度，则左边为\nabla\times(\nabla\times\mathbf{E}) = \nabla(\nabla\cdot\mathbf{E}) - \nabla^2\mathbf{E} = - \nabla^2\mathbf{E} ，中间用到了（3）式；而右边为-\frac{\partial(\nabla\times\mathbf{B})}{\partial t} = -\mu_0\varepsilon_0 \frac{\partial^2\mathbf{E}}{\partial t^2} ，中间用到了（2）式。两边合在一起，就得到了电场的波动方程\nabla^2\mathbf{E} - \mu_0\varepsilon_0 \frac{\partial^2\mathbf{E}}{\partial t^2} = 0. \quad (5) 通过对（2）式两边取旋度，类似地可以得到磁场的波动方程\nabla^2\mathbf{B} - \mu_0\varepsilon_0 \frac{\partial^2\mathbf{B}}{\partial t^2} = 0. \quad (6) 从波动方程中可以看出，真空中电场和磁场的传播速度相同，均为c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0\varepsilon_0}} \approx 3.0\times10^8 \mathrm{m/s}, \quad (7) 即光速。一个简单而典型的解就是平面电磁波。下面是平面电磁波传播的一个示意图，红色表示电场，蓝色表示磁场。历史上人们受机械波观念的束缚，确实曾经认为电磁波也是机械波，其传播需要某种介质，并把这种介质称为“以太”。但是，要想让以太传播这么快的电磁波，需要它具有非常大的切变模量（因电磁波是横波），按说它应该非常“硬”才行，而我们又感觉不到这么“硬”的介质存在。后来的迈克尔逊-莫雷实验对以太的存在提出了强有力的质疑。再往后，爱因斯坦提出了狭义相对论，就彻底把以太清扫出去了。我很久很久以前好像也想过这个问题, 但后来好像又不感兴趣了所以没定量算过. 但定性的想法还是有的: 首先要知道最初我们定义的波应该是振动的传播, 表现为时间与空间的函数. 水波和声波就分别是水与空气的振动在空间中的传播现象, 这都是很好理解的, 因为介质的振动会带动周围的介质一起振动是一个很直观的结论. 而电磁波则不需要振动介质, 但振动的定义本身也不需要介质, 任何物理概念随着时间的周期性变化都可以称为振动, 电磁波对应的振动就是电磁场强度的周期性变化. 那问题就是, 没有介质为啥振动还会在空间传播? 我认为这可以直接从无源的麦克斯韦方程组得到答案: \left\{ \begin{align}
& \nabla \times \vec{E}={{c}_{1}}\frac{\partial \vec{B}}{\partial t},\
\\
& \nabla \times \vec{B}={{c}_{2}}\frac{\partial \vec{E}}{\partial t}.\
\\
\end{align} \right.其中的 {{c}_{1}},{{c}_{2}} 只是与介质相关的常系数, 我实在不记得了, 好像分别是一个负号与 {{\mu }_{0}}{{\varepsilon }_{0}}? 所谓的无源就是没有电荷激发电场, 也没有电流激发磁场, 但从方程来看电场和磁场的还是存在的, 也就是存在无散电场由磁场 (随时间) 的变化激发, 同时也存在由电场变化激发出来的磁场. 这样最初那个在变化的电场就会在周围激发出磁场, 而这个磁场肯定也不是啥稳恒磁场, 所以它的变化就又会在周围激发出电场, 然后循环反复子子孙孙无穷匮也, 电磁波就是这样传播的.

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