我們說光線，聲音都是波這個一點不假，波的頻率不同，很多波段我們無法感覺到，眼睛能感覺到的叫光，還有五顏六色，耳朵能聽到的波叫聲音。照相感光底片能感覺到的是x 光。

我們說穿透牆，不如說是繞過牆，波長長的繞過性好，波長斷的容易吸收，所以光被強反射了，透過玻璃的是折射，聲音也是如此，聲音碰到牆後，也有部分能量引起牆的振動，所以我們耳朵爬牆上能聽到隔壁的聲音。我們的路由器為什麼能穿牆？其實也不是穿越，是從其他地方反射過去的，波長長的電磁波不容易被物體吸收。更容易反射。

擴充套件一下，我們的5G生活馬上開始了，但是5G基站數量將是現在4G 的80～100倍。原來廣播電臺，一個發射塔覆蓋幾百公里，這些都是電磁波頻率的關係。電磁波頻率越高，越容易被吸收，不能長距離傳播。

沒有合適的配圖，這個很好看！

兩種不同的波，一個是透過牆而傳播，一個是憑感應而傳遞。光能透過的牆電磁感應不一定能穿過，功能不同，會飛的不一定會遊，

不能一概而論說電波可以穿牆，電波能不能穿牆是由電波的波長決定的，波長長的電波即頻率比較低的電波如長波中波廣播電臺可以穿牆傳播，但波長較短即頻率較高的電波如電影片道、路由器頻段的電波基本上不能穿牆傳播，光線具有比這些電波的頻率更高的特性所以無法穿牆傳播！

什麼傻逼結論？虧你還頂著個優秀科學領域創作者的名號！哪裡有過波長越短穿透性越強的結論？就以光波來說，明顯是頻率處於兩端的太赫茲和X射線強於中間的可見光，特殊物質的穿透性更是不一樣，中紅外光穿大氣的能力更好，藍綠光穿水的能力強於其它。穿透性是多種因素共同結果，根本就沒有什麼明確的線性關係。

而且一般的說法都是頻率越高穿透能力越差，這主要是考慮衍射的因素，因為在日常生活中衍射的影響明顯大於直接穿透。頻率越高波長越短越難發生衍射，相應的穿透性越差。

從物理學來說，光是能量的一種傳播方式，光由一種稱為光子的基本粒子組成；光是人類眼睛可以看見的一種電磁波（可見光譜）。但是所有的不可見電磁波譜也都是光。

人類看見的可見光是光中極小的一部分，但是據統計，人類感官收到外部世界的總資訊中，至少90%以上透過眼睛。

那它（可見光）為啥不能穿透牆壁呢？

答案就在其光的折射和反射，光能在真空、空氣、水等透明的物質中傳播，因為透明的物質分佈均勻，不透明物質分佈不均勻，極易發生折射和反射。光會折射、反射、衍射、繞射以及被吸收。

可見光的物理學定義為：能刺激人的視覺的電磁波。它的頻率範圍在39000～86000GHz之間，波長：0.7微米～0.4微米，真空中的傳播速度為3x108米/秒。可見光在電磁波頻譜當中可以說是個另類，它是一種很特殊的電磁波，具有波粒二象性，所謂二象性，是指同時具有“波動性”和“粒子性”兩種表象。

（1）當電磁波的頻率很高、高過可見光很多時。電磁波主要表現為“粒子性”，這種電磁波通常稱作射線。射線的波長很小，基本是小於常見物體的分子間隙，與許多物質的分子原子量級相當。當這類射線穿透物質的時候，類似於子彈大小的東西射過一層層珠簾，碰不上珠子的就直接穿過去了，碰上的變個方向也能過去，當然會有穿過不去的。但每一個穿過去的子彈，其速度基本上是沒損失。所以，電磁波的頻率越高（子彈越小）就越容易穿過。（2）可見光的波長是常見物體分子間隙的幾十上百倍，靠“粒子性”穿透障礙物是肯定是過不去了。那就只能依靠“波動性”來傳播，所謂“波動性”傳播，是指介質中的質點受到相鄰質點的擾動而隨著運動。就相當於光波帶著阻礙物的質點一同“振動”，然後透過"振動”把“節奏”帶到障礙物的“對面”去。這種把“節奏”帶到“對面”去的傳播肯定要有損耗的，損耗的多少與障礙物的屬性相關。這就好比，同樣是固體障礙物；玻璃窗透光，牆體卻不透光，牆體不透光一定是損耗過大，肉眼凡胎就看不到光了。

那麼電波為什麼可以？拿wifi來舉例吧。

wifi訊號：wifi訊號屬於微波範疇，其波長在7—12cm之間，與微波爐的波長相當。微波的基本性質，呈現為穿透、反射和吸收。對玻璃、塑膠和瓷器等物質，微波幾乎是穿透而不被吸收。而水和食物等物質會因吸收微波使自身發熱，如微波爐加熱食品。對金屬類物質，則呈現反射特性。當wifi訊號到障礙物（牆體）時，由於牆體材料既非水和食物、也非玻璃、塑膠和瓷器等物質。因此，wifi訊號只有極少部分可以透過障礙物，大部分的wifi訊號還將以波的形式呈現反射、散射和衍射現象。

經驗告訴我們，通常乘電梯時，手機無法接收無線電(微波)訊號，但乘地鐵則不然。說明，無線電波可被封閉的金屬外殼遮蔽。

1 電磁波的本質

無線電波、紅外線、可見光、紫外線、超高頻線，都是電磁波，只在低密度介質中傳播。

電磁波與機械波一樣在同介質以同波速傳播，其波長與頻率成反比：

v=λf...(1)

電磁波是一種空間漣漪，是波源的電子震盪，擾動了真空場，所激發的介質波。

2 電磁波的模型，光子的拓撲引數

電磁波可以模擬為正弦波，其中一個波節，相當於光子，波節長度就是光子波長(λ)。

在1秒週期(T)，波節湧動次數(n)或波節推湧的個數(n)，即光子震盪頻率(f)：

n=λ/T...(2)

1個週期內光子推湧的距離(d)叫光秒，對應的是光速：c=λn=λ/T=299792548m/s。

由於真空場吸能，相鄰波節有極小衰減或紅移。但在較短光程，各波節是近似全同的。

我們不妨把一個飄帶狀的波節或光子，拓撲為一個漩渦球，則光子半徑：

r=λ/2π=c/2πf...(3)

光子半徑公式很重要。因為，可以計算不同光子的體積、質量密度、輻射能密度、勢能密度、電荷密度。尤其可以估算不同空間的質密與能密。

3 光子是低密場介質，不能穿越高密場

根據熱力學第二定律，水向低處流，低能密介質不能進入高能密介質。

絕大多數光子都是低密場介質，不能進入高密場介質，如原子與核子內空間。

即使最高頻光子也不能進入電子內部。因為電子半徑r=2.82費米，場密度極大。只能發生康普頓散射效應。

4 以電子湮滅方程，確定光子的質量

根據麥克斯韋方程c²=1/ε₀μ₀，光子的光速震盪與光速推湧是由真空場介質決定而固有的。

因此，所謂光子靜質量m₀=0純屬莫須有，即便m₀=0，動質量m=m₀/√(1-v²/c²)也無解。

再說，如果硬套m=hf/c²作為光子質量，則有無數個不同質量。而且，10²⁰Hz伽瑪光子質量m=hf/c²=7.4×10⁻²⁸[kg]是電子質量的8倍。而10⁹Hz微波光子質量m=7.4×10⁻³⁹kg是電子質量的1000億分之8。——純屬無稽之談。

事實上，光子波長越長，光子半徑越大，光子體積越大，光子密度越小。

按這個邏輯，光子質量、光子電荷、光子速度必須是常量。這讓我們想起電子湮滅方程：

e↑+e↓+2×½m₀c²→γ↑+γ↓+2hc/λ₀...(4)

兩邊能量相等: 2×½m₀c²=2hc/λ=1.02MeV

兩邊質量相等: 2e=2γ=1.02MeV/c²。

可見，電子湮滅為光子，其實是電子急遽膨脹為光子，電子質量轉化為光子質量，即：

光子質量≡電子質量，m₀=0.51MeV/c²...(5)

電子固有半徑：r₀=2.82費米...(6)，

光子最小半徑：r"₀=0.39皮米...(7)

光子最小體積：V"₀=2.5×10⁻⁴⁰[m³]...(8)

光子最大密度：ρ"₀=3.6×10⁹ [kg/m³]...(9)

注意1：光子密度，不妨就是場介質密度。

注意2：式(4)含方程：½m₀v²=hc/λ...(10)

此稱場效應方程：電子動能≡光子輻射能，這個可求電子激發電磁波的波長與頻率。

尤其是可以計算原子與核子的內空間密度，進而探討光子的衍射與透射性。

5 典型電磁波的光子密度

現在，我們可以透過計算——電磁波的光子密度，實粒子內空間的光子密度——來判斷電磁波的透射性。

5.1 無線電波的光子密度，

以手機接收的無線電波為代表，假定其釐米微波的光子波長為：λ₁=0.01m，則

光子半徑：r₁=λ₁/2π=1.6×10⁻³m。

光子密度：ρ₁=m₀/4.2r₁³=5.3×10⁻²³kg/m³

可見，無線電波的光子密度與波長立方成反比，波長稍有拉長，場密度急劇下降。

5.2 可見光波的光子密度

以可見光居中波長為代表，λ₂=500nm，則

光子半徑：r₂=λ₂/2π=8×10⁻⁸m

光子密度：ρ₂=m₀/4.2r₂³=4.2×10⁻¹⁰kg/m³

顯然，可見光的光子半徑比微波光子半徑縮小10⁵倍，密度增加10¹³倍。

5.3 超高頻波的光子密度

以最高頻光子：λ₃=4.85×10⁻¹²m為代表，則

光子半徑：r₃=λ₃/2π=7.7×10⁻¹³m

光子密度：ρ₃=m₀/4.2r₃³=4.7×10³kg/m³

可見，超高頻光子密度大約是水密度的5倍。

6 典型實粒子內空間的密度

6.1 核內空間的場密度

以核內1個電子光速震盪(v₂=c)激發1光子，計算質子內空間的場密度。場密度的體積部分，只取決於電磁波的波長。

光子波長：λ₄=2hc/m₀c²=4.85pm

光子半徑：r₄=λ₄/2π=7.7×10⁻¹³m

光子密度：ρ₆=m₀/4.2r₆³=4.8×10⁵kg/m³

質子內空間的場密度≈質子密度，是宇宙中所有物態的最高密度，不可能被任何光子穿越。

6.2 原子內空間的場密度

原子態的場密度取決於電子激發的光子波長，電子平均速度v=8.2×10⁶m/s。

光子波長：λ₅=2hc/m₀v²=1×10⁻⁸[m]

光子半徑：r₅=λ₅/2π=1.6×10⁻⁹m

光子密度：ρ₅=m₀/4.2r₅³=5.3×10⁻⁵kg/m³

絕大多數固體是晶體，價電子間的距離較近，受核電荷的束縛力(庫侖力)較大，價電子的運動速度較大，場介質密度也就較大。

當然，用固體物理的電子能帶理論來解釋，缺點是量子化操作模糊不清。

可見光密度ρ₂=4.2×10⁻¹⁰kg/m³，原子態場密度ρ₅，這可解釋為可見光不能穿越晶體材料。

為什麼無線電波與可見光可穿越玻璃介質等非晶體材料呢？主要是由於非晶體分子與晶體原子的核外電子震盪速度與彼此之間的距離的差距太大。

6.3 分子內空間的場介質密度

非晶體材料的分子間距，遠大於晶體材料的原子間距，因而密度也小了許多。如：玻璃的密度約2.5，水與冰的密度約1。而鐵密度7.8，銅密度8.9，鋁密度2.7。

直接測量分子的間距是很困難的，目前最先進的電子顯微鏡最大解析度約2奈米。玻璃與水分子的間距也在奈米級。保守估計是原子間距的3倍或原子半徑9倍以上，故，不妨設玻璃的網路節點價電子活動半徑R=R₆，暫定如下：

R₆=3R₂=1.6×10⁻¹⁰m

由於分子間距較大，作為向心力的分子間力或氫鍵大大低於原子間力。

根據軌道角動量守恆，分子間價電子震盪速度v₂，低於原子間價電子震盪速度v₁。比較保守估計：v₂=⅓v₁，其激發光子參量：

光子波長：λ₆=λ₅(v₁/v₂)²=9λ₅=5.85×10⁻⁵m，

光子半徑：r₆=λ₆/2π=9.3×10⁻⁶m

光子密度：ρ₆=m₀/4.2r₆³=2.7×10⁻¹⁶kg/m³

分子間的場密度ρ₆，遠低於可見光的光子密度ρ₂=4.2×10⁻¹⁰kg/m³。這就解釋了可見光可以穿越玻璃、冰等非晶體介質。

7 無線電波，不能直接穿越非晶體

無線電波，是波長3萬米~10微米的電磁波。其光子的最大密度ρ(max)=5.3×10⁻¹⁹kg/m³，遠低於固體分子間場密度ρ₆=2.7×10⁻¹⁶kg/m³。

顯然，無線電波無法直接穿越凝聚態介質。不能僅場密度理論來解釋。先做些場密度估計。

玻璃是非晶體材料，用多種無機礦物，如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸鋇、石灰石、長石、純鹼為主要原料，加入少量輔助原料製成。主要成分為二氧化矽和其他氧化物。普通玻璃的化學組成是Na2SiO3、CaSiO3、SiO2或Na2O·CaO·6SiO2等，主要成分是矽酸鹽複鹽，是一種無規則結構的非晶態固體。

玻璃態物質，由熔融體快速冷卻而得到，從熔融態向玻璃態轉變時，冷卻過程中黏度急劇增大，質點來不及做有規則的排列。

▲冰締合分子有(H₂O)₃、(H₂O)₄...(H₂O)ₙ，網眼比較大，給可見光與電波有可乘之機。

玻璃的分子結構，有點像冰的締合分子結構。有關資料稱，有序的網路節點尺度，大約R₆=0.75奈米（本文前述為0.16奈米），而網眼空隙尺度R₇>>R₆，設R₇≈10R₆=7.5nm。

根據疊加原理，可用玻璃網路結構中的每個價電子與核電荷之間的庫侖力，作為該電子在網眼空間的向心力，故有：

½m₀v²=ke²/R₇=hc/λ₇...(11)

價電子震盪速度：

v=√(2ke²/R₇m₀)=e·√(2k/R₇m₀)

=1.6×10⁻¹⁹√(2×9×10⁹÷(7.5×10⁻⁹)(9.1×10⁻³¹))

=1.6×10⁻¹⁹√(2.6×10⁴⁸)=2.58×10⁵[m/s]

光子波長：λ₇=2hc/m₀v²=6.6×10⁻⁶[m]

雖然，這接近無線電波的最短波長(<10微米)。但還是不能直接穿越非晶體材料。

8 無線電波的傳播方式

無線電波的傳遞方式，包括視距傳播與非視距傳播。長波易被電離層吸收，短波易被電離層反射或散射，微波可以穿過電離層。

其1：視距傳播

視距傳播，主要是天線直射和地面反射的疊加，其極限距離取決於天線高度和地球半徑。

其2：對流層反射

適合λ≤10米。對流層涉及天氣條件。反射係數隨高度增加而減少。反射係數使電波彎曲。

其3：電離層反射

適合λ≥1米的遠端通訊。電離層反射的電波有若干跳躍，與對流層一樣，也有連續波動性。

其4：繞射傳播

繞射波來自建築物內部或陰影區域的訊號，障礙尺度≈電波波長。故頻率越高，訊號越弱。

顯然，無線電波的反射、折射、散射與繞射，是因為電波的光子密度<<場介質密度。其中，繞射或衍射，正是本題的關鍵。

9 衍射，涉及電磁波的本質

為什麼有衍射現象，尤其是雙縫干涉，一直是電磁動力學的困惑。其實涉及的是電磁波的發生與傳播機制。

流行主張——光子是波源發射到真空介質的——發射說；筆者主張——光子是波源擠壓真空介質所激發出來的——激發說。

9.1 物理學玩的都是——電子遊戲規則

作為基本電荷，電子是磁性與電性的對立統一體，電子是構造物質世界萬千氣象的唯一獨立存在的基元粒子。

磁性，是電子的自旋性，是物質運動的第一動因 (First Cause)。磁性的三個約定：

①電子體 有 光速自旋與自旋勢能 (E₀=m₀c²)

②南北極 有 負壓帶=磁場=真空場=引力場，

電性，是電子的繞旋性。電子繞旋，擾動空間場，產生各種場效應。電性的三個約定：

④電子動能 激發 電磁輻射能 (½m₀v²=hf)

⑤電子動能 激發 熱力機械波 (½m₀v²=1.5kT)

⑥電子動能 激發 電壓與電流 (½m₀v²=ke²/R)

電磁波，是兩個電子引力場相互作用的疊加效應。電磁波的三個約定：

⑦在原子內部，核外電子與核內電子(核電荷)之間的相對運動，產生原子光譜。

⑨在核子內部，核內電子以光速繞核核運動有音爆，產生場質增效應。核子=電子+繆核。

9.2 電磁波發生與傳播的機制

電磁波，是被電子波源擾動的空間介質所激發的場效應。電磁波，雖因波源引起，但不是從波源發射出來的，而是光速湧動的場介質。

▲電磁波的發生與傳播：左邊發生是初級諧振子，是電子與電子互動的複合激元(excitons)。右邊傳播是次級諧振子，是光量子激元與引力子激元的互動。

我們不妨設定：空間是真空所在，真空是引力場，真空可以假設引力場充滿了引力子或場量子。引力子以光速在本地湧動。

引力子與光量子是同一波節被拓撲的傳播子。只要有電子運動，就必然擠壓真空場，場量子之間就會依次推湧，推湧的引力子就是光子。電磁波的光子湧動，是藉助空間固有的引力場作為載體而實現傳播行為。

9.3 衍射的本質——以引力場為載體

萬有引力是萬有的，或者，引力、引力場、引力波或引力子，不受任何障礙物的遮蔽，可以穿越任何介質——為什麼？

因為，引力是真空“吸能·載波·傳力”的代名詞，實體充滿場介質。電子的內部是縮聚的真空，是純淨的高密度場介質。

無線電波的傳播，也是透過真空介質或引力場傳播的。無線電波的光子密度極低，雖然無法穿越高密度介質。

但是，無線電波透過引力場作為載體來傳播。衍射好比“水向低處流”與“水流十八彎”。

無線電波的繞射現象，也可以是一種特殊的散射，可以類比康普頓散射效應，即高頻輻射遇到電子會折射。

由於引力場吸能，衍射波的訊號比入射波會大大衰減，有顯著的降頻紅移效應。

結語

本文基於電子湮滅方程與質量守恆與轉換定律，大膽假設：電子可以急遽膨脹為光子，光子質量≡電子質量常數(m₀)。而把電磁波的一個波節拓撲為一個漩渦球型之光子。

與此同時，把光電效應方程拓展為場效應方程，即：½m₀v²=hc/λ，進而可求電磁波光子的波長與半徑，進而可求光子密度，作為場介質的平均密度。

然後，根據熱力學第二定律，得出結論：電磁波光子密度，只能從高密度介質進入低密度介質，由此解釋可見光不能穿越晶體材料，而無線電波光子密度太低，不可能穿越所有凝聚態介質。

最後，根據電磁波只能以無處不在的引力場為載體的發生與傳播機制，解釋無線電波繞過障礙物的衍射原理。

Stop here。物理新視野與您共商物理前沿與中英雙語有關的疑難問題。

《宇宙物理體系》36個短影片目錄:

1《宇宙物理體系》

2物質和能量

3質量重量

4磁和電

5時空

6光

7浮力

8飽和原理

9資訊傳播

10火箭發射

11蘋果下落

12磁鐵相吸

13地球繞太陽轉

14飛機上升

15太陽能量方式

16月球重力

17力分析

18力傳播

19力與速度

20傳播力

21受力分析

22宇宙機理

23望遠鏡

24物理用詞

25性質和量

26生命

27力分析舉例

28摩擦力

29共振

30香蕉球弧線

31風箏飛

32陀螺腳踏車不倒

33空間飽和

34光反射折射原理

35鐵絲掰斷

36摩托車拐彎