电磁场和电磁波，是对同一对象的不同侧重描述。场侧重反应分布情况，是静态叙述。波侧重传播情况，是动态叙述。

苏格兰人麦克斯韦总结了法拉第、安培的发现，结合物质不灭，给出了描述电磁场问题的方程组，称为麦克斯韦方程。赫兹用实验验证了电磁波的传播与接受。这是一个新时代的开始，从此信息通信不再成为文明发展的约束。特斯拉、波波夫俄罗斯人、马可尼意大利人都制造了电磁波的接收装置。特斯拉和马可尼同时有发射装置。而且是马可尼成立了无线电电报公司，使得远程通信进入实用化阶段。这些无线电信号按照频率划分为：长波、中波、短波。

短波通信，可以跨越半个地球之间。最初并不知道原因，后来发现短波是在地球的电离层和地面之间来回反射，到达地球任何一个角落。现在使用短波收音机，可收到世界各地的电台信号。中波信号一般就是地方电台，范围几百公里。无线电信号在水中、地下衰减很快，而长波信号的波长很大，衰减距离长，可用于水下、地下通信。

现代的手机频率比以前的短波频率高得多，衰减也高得多。所以能打手机的地方附近肯定有基站。目前基站很普及，除了沙漠、高山等无人区域，所以手机才能普遍使用。

电磁波传播的速度是光速。电荷运动形成电流，而电流的速度是电荷进行的定向运动这种的传播速度，不是电荷本身的定向移动速度。

电磁波的频率范围从0到1024以上，通常不同频率范围的电磁波都有各自的名称。普通的工业电力使用50Hz的电流，无线通信使用500KHz1000KHz，短波在330MHz，电视信号50M800MHz，手机信号800M3GHz，微波300M3THz，红外线30T300THz，可见光400T700THz，紫外线700T30PHz，X射线30P30EHz，Gamma射线30E300EHz。这只是一个粗略的划分，在不同的领域还有更加精细的划分。

电磁波和机械波不同，传播完全不需要介质。事实上介质对电磁波起障碍作用。电磁波传播时，不同物质对其阻力不同。导体对电磁波是绝对障碍。电磁波无法进入导体内部。所以需要电磁波屏蔽时，都用金属网来进行电力系统输送电力，使用金属导体传送，此时仅是电流，而不是电磁波。而且频率很高时电流集中在导体的表面上，内部很浅的区域内还存在电流趋肤深度，更深的部分就不存在电流了。所以电脑主板上电路连线都是薄薄一层镀铜作为电流传输线。

电磁波和机械波虽然方式截然不同，但都是波，所以波的属性两者是共同的。干涉、反射、透射都是可以相互印证。横波在电磁波里面称为TEM波，纵波分为TE横电波和TM横磁波。

思考：

机械波对路径上的物质会产生作用，功率很大时，这些物质会被破坏。频率2.45GHz的微波，对水分子加热效果明显，事实是极性水分子对这个频率的微波吸收很强，全部转化为热。因此微波炉使用2.45GHz微波加热食品。

电离层反射30MHz以下无线电信号，超过30MHz的信号进入太空。这表明材料对不同频率的电磁波效果不同，这些材料称为色散材料。真空完全没有色散，其他物质都存在色散。色散最直接的证据就是三棱镜，白光入射，分散成七种颜色。

可见光的范围很窄，为什么我们能看到的就是这个范围呢？地球上动物眼睛的可见光范围也和人类差不太多。前面提到，只要温度高于绝对零度，物体就放出辐射。太阳的表面温度大约是5800K，辐射出来的电磁波含量最高的频率大约是600THz频率，对应的大约是绿蓝色。其他颜色的含量稍低。动物演化出眼睛，那么接收600THz频率附近的最大能量光线，意味着将光转换为生物电信号的代价最低。如果太阳表面温度达到10000K，是否意味着可见光的范围就移到紫外范围了？如果太阳表面温度是10000K，太阳的寿命很短，来不及出现我们就灭亡了！所以没有这种可能性。】

多普勒效应对电磁波依然有效，对宇宙的观察表明，频率大多在降低称为红移，说明宇宙多数对象都在远离我们，宇宙在膨胀。

电磁波频率增高，波长减小。同等金属长度下，电磁波更容易从金属表面辐射进入空气属性接近真空，此时辐射电磁波的金属称为天线通常金属的长度或间距和波长成一定比例关系。所以高频率的电磁波易进入空气传播。高频电子电路，必须进行电磁兼容分析，防止因电路设计不合理，导致大量电磁波在空气传播，改变了电路的性质，破坏或降低电路功能。

早期潜水艇和指挥中心联系，都是浮出水面或让天线飘在水面。后期可直接在水下进行通讯。使用频率很低电磁波进行。对应的波长很长，这样的发射天线就必须很长。

电磁波在空气传播，遇到金属，则在金属表面引发感生电流接收天线原理，同时金属对电磁波会产生反射。雷达，和声纳原理相同，都是探测目标的工具，区别仅是雷达使用电磁波。机械波遇到弹性不同的分界面产生反射，电磁波则是遇到电磁特征称为波阻抗不同的分界面产生反射，尤其是空气和金属。潜水艇表面使用孔阵列橡胶层来消除声纳反射，隐形飞机使用吸波材料波阻抗和空气相同，电磁波抵达吸波材料表面时无反射，但电磁波在吸波材料内传播时，损耗非常大。当遇到金属表面反射时，再次被吸收，最终反射进入空气的电磁波很微弱来实现降低反射。由于材料都是色散的，吸波材料也只能对特定范围的电磁波有效。但吸波材料为什么还是很有效？雷达发射电磁波，频率电磁波的信号发射出去的量很低，频率高的电磁波由于波长短，同样距离内损耗大。频率适中的电磁波正是吸波材料最佳工作的范围】飞机的外形对隐形也很重要。飞机的下部完全是一个平面，雷达电磁波反射回去很难回到雷达所在地位置。如果下部是符合流线型的曲面，总有某部分曲面反射的电磁波是可以回到雷达的。巡航导、弹对隐形要求不高，因为飞行高度很低，处于远程雷达的盲区内。当被发现时，距离已经非常近了。所以巡航导、弹完全按照流线型制造。洲际导、弹也不需要隐形，因为洲际导、弹回到大气层时，表面温度很高，形成电离层气罩，雷达很容易发现，无所谓隐形。

可见光是频率在特定范围内的电磁波。和通常我们所认知的电磁波频率相差很大，所以表现形式也不同。金属对电流而言是良导体，对应电磁波却是屏障。电力传输线、集成电路、电脑CPU，频率从503GHz的电流，都在金属中传导。空气、纯水、玻璃、水晶等材料对于电流而言，这些都是绝缘材料。却允许电磁波传播。人工产生微波以下频率的可控电磁波主要是电路产生电流，这些电流在金属表面辐射出去电磁波，频率由电流频率决定。频率更高的电磁波采用和自然界相同的方法，让原子的电子从高能位置降到低能位置，产生辐射高频电磁波。

思考：

我们通常认为空气、玻璃是透明的。也就是说这些材料对可见光的损耗作用很小。那么透明就可定义为对电磁波的损耗程度。损耗越低，透明度越高。当电磁波频率变化后，材料的透明度也随之变化。石英，对可见光是不透明的，对紫外线却是透明的。

光在不同透明材料中传播，速度是不同的。当两者透明材料中一起，光从一种穿越到另一种，路径会发生变化。如右图，光线从A点传播到B点，路径发生偏折。光在空气中传播速度为30万公里/秒，在水中速度为空气中的3/4.从A到B，有无数条路径，但光的这条路径是行程最短的，也就是传播时间最短的路径。但看起来却比从A到B点直线距离长！因此光传播的路径是折线，称为光的折射。在光速不同的介质间传播，折射必然出现。波传播时，走得就是最快路线！正常的折射普遍利用制造望远镜，使用凸透镜和凹透镜组合。对于微波波段的电磁波，让正常材料按照一定的方式组合，可以使得整体产生凹透镜的效果，进行战术欺骗。

当B点向水和空气的分界面考虑时，A点比B点靠拢得更快。最后，A点进入界面，而B点尚在水中，此时光线从B点沿着这条路径传播，将不能进入空气中，而是反射回到水中！这种现象称为全反射。现代光通信使用光纤，光纤外包裹着涂层，光在涂层中的速度大于光纤中的速度。那么只要光的入射角度合适，就会发生全反射，保证了光束的完整性。当发生全反射时，光的反射点所接触的高光速区域虽然没有光线，但却存在凋落场，是一种准静态的场分布，在分界面上场最强，随着远离分界面，场越来越弱，按照指数衰减。事实上，从凋落场的变化也可以获得光纤内部的信号。也就是说窃取光信号不必剪断光纤。

大量动物都有伪装能力，皮毛和环境的协调使得在可见光条件下，很难分辨动物和背、景。军装中的迷彩服也采用这种形式，并根据作战区域不同有各种迷彩服类型。当照射的电磁波频率发生变化时，这些伪装不值一提。雷达使用的频率相对可见光很低，在微波频段。但是在雷达扫描下，再出色的迷彩服也没有用处。蛇采用红外线感受器官来侦测猎物的所在，此时伪装完全失效。最早的空空制导导、弹就以响尾蛇命名。不过早期红外线制导的缺陷是无法判定太阳和目标的尾气，当远距离飞机向太阳方向飞行时，导、弹易被误导。在精确确定温度后就可以降低失误。

大雾天气，很难看到远处情形。此时红橙色的灯光相对照射的更远一些。雾天空气中的微小颗粒，对光有散射作用，阻碍了光线的传播。可见光中波长最长的是红光，700nm纳米，最短的是紫光，400nm。肉眼对紫色相对不敏感，蓝色较醒目由于波长差了将近一倍，红光绕射能力强于蓝光频率越高。故频率越高，波长越小，绕射能力越低，散射越强。所以天空是蓝色的。早上的太阳为什么是红色的？因为在早几个时区的天空是蓝色的。同样路灯选取高压钠灯，光线是黄色的，也有利于雾天照明。野外露营的帐篷、探险队外套、救生衣都选用红橙色，方便远处寻找。当然冒充特种兵是你的自由。

自然界的电磁波，都是多个频率的混合。1960年人工制造了单个频率的电磁波：激光LASER，实际上，激光也不是单个频率的光，只不过频率相差非常小的混合频率光。没有激光，就没有现在的DVD。

收音机、电视机都能接收不同的频道，差别就是频率不同。我们的眼睛也是一台收音机，不过仅能接收一个频道，就是可见光频道。同理，耳朵也是机械波收音机，接收2020KHz机械波频道。

太阳光是TEM波，电场和磁场振动方向是垂直于传播方向。以传播方向为轴，那么绕轴360度范围内任意一个方向都可能是电场的振动方向。由于太阳光是从太阳表面各处集合而来，所以电场在各个方向都有，能量平均。但是某些物质仅允许电场为特定振动方向的电磁波透过，其他方向不被允许。这种光称为偏振光。汽车司机挡风玻璃上方有个档光板，就只允许特定电场方向的光通过。可以避免对面直射光对司机眼睛的干扰。观看立体电影需要立体眼镜，眼镜片就是偏转片，这样两眼看到不同的图像，差别刚好产生立体效果。太阳光照射在透明物体上，产生反射和折射。反射光和折射光都有部分偏振，在特定角度上，反射光完全偏振，这个角度称为布儒斯特角。自然界中，蜜蜂、蚂蚁、候鸟可以利用偏振光导航。

1895年德国人伦琴发现了X射线。这种射线有很强的穿透能力，被用于透视人体内部器官和骨骼。对人体有较强伤害。一般使用金属铅作为防护。1900年法国人维拉德发现穿透力非常强大射线，命名为伽玛射线。随后证明这两种射线都是频率非常高的电磁波。在实际的表现中，两种射线类似粒子行为，也就是说电磁波在频率不同时，行为差异非常大，导致截然相反的属性出现。

粒子行为可以是一个一个地进行，波却是一种分布的表现。低频率时电磁波完全是波的行为，非常高频率X射线时，行为就像粒子，那么当频率适中时，就可以同时表现出波和粒子行为。那么，一个粒子如何表现波的行为？一束光通过一个小孔时，表现出衍射的行为，如右图激光的衍射效果。当一个粒子通过同一个小孔时，只能到达一个特定的位置。如何让粒子表现出波的效果？重复让粒子通过小孔，就会发现，粒子的抵达的位置并不固定！当大量粒子通过小孔后，多数粒子集中抵达在中心位置，少量抵达外围，距离中心越远，数量越少。把这些抵达后粒子的结果叠加在一起，发现效果和波衍射的结果完全相同！也就是说，粒子在通过小孔时，抵达不同位置的可能性称为几率不同，并不是我们想象中固定的轨迹。这种各个位置都有几率的出现就是粒子的波行为。波是如何体现出粒子行为呢？同频率的两束电磁波在波长范围内接近时，才能发生波的干涉。而高频率的波长非常小，发生这种情况的可能性很小如果真发生，外在表现就是两个粒子相撞。并且X射线频率以上的电磁波是高能电子撞击原子输出或原子核衰变产生，一份能量对应一个电磁波脉冲，无法像低频率电磁波对应的低能量那样连续供给，因此表现的像粒子行为。

由X射线和伽玛射线的能量来源可知，当这些射线撞击原子时，也会产生等效的破坏力。对于人体而言，当射线击中身体时，破坏分子之间的连接是很容易的事情。身体的细胞中，大量物质都是消耗品，不怕破坏。但对细胞DNA破坏是非常严重的事情。DNA局部被破坏，可能导致细胞复制自身时出错。最严重的错误就是DNA失去控制，可永远复制下去正常细胞复制一定次数后，就无法复制了。细胞就成为癌细胞永生的细胞是指细胞可以永远复制，而不是细胞万寿无疆。

思考：

我们经常使用现有的经验来推理未知情况，并认为在同一模型下，推理和实际差别不远。理论中允许无限小的存在，但宇宙中并不存在。当事物抵达宇宙存在的极限小情况时，结局和理论完全不同。*

牛顿在研究光学时，认为光的本质是粒子。经过了一百多年，公认光是波。进入二十世纪后，光又被认为可以是粒子状态。但此时的粒子和牛顿的粒子不是一回事。区别是什么？*

牛顿和莱布尼茨创造微积分，是人思维的一大突破。以无限接近来思考问题，创造了哲学的奇迹。但同样的思路在处理能量时发现居然不行，能量有最小单元，真是让人的思维再次眩晕。机械波的传播必须有介质存在，当人们知道光是电磁波时，认为光的传播也必须有介质存在，并在宇宙中想象了一种介质“以太”的存在。事实表明电磁波可以在真空中传播！可能习惯于熟悉的思维模式正是人惰性最佳体现。*

在同等状态下，粒子的路径居然可以不同，粒子的群体效果是波的体现。让人的感到：微观世界居然是几率决定，必然性消失了。自然是在掷骰子吗？爱因斯坦认为不是。*

有足够的时间，则任何状态都可以至少出现一次。可是宇宙是有寿命的！意味着宇宙的几率不能全部实现。那么宇宙出现之前是什么状态？没有宇宙，还有时间吗？