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有一种美叫麦克斯韦方程组

2020/6/24 0:15:01 来源:成都科协 浏览:

01

公式界的伟大与美丽

说到麦克斯韦,想必很多人是在高中物理课本上听说过的名字,记性好一些的同学可能还会记得是麦克斯韦发现了电动力学定律。

如果你对物理学不感兴趣,那么了解到以上程度就已经非常优秀了。

但如果你是——心怀宇宙并对理论物理发烧或渴望在这些方面有所建树的话,这样的认识就显得非常局限了。

如果我们从全世界的物理学家中随便挑一位出来问:“你认为还有哪位理论物理学家能够和牛顿、爱因斯坦平起平坐?”

他们几乎都会回答一个名字——麦克斯韦。

麦克斯韦

就像美国著名物理学家理查德·费曼所说:“人类历史从长远看,好比说到一万年以后看回来,19世纪最举足轻重的毫无疑问就是麦克斯韦发现了电动力学定律。”

一万年太久,只争朝夕。

活在人心没有被遗忘的,都值得被庆幸。

除了麦克斯韦方程组奠定了人类“第三次工业革命”的理论基础,让人类迈进“信息时代”崭新的时代外,它还有一个“文艺”但却和理论物理带给人的“严肃刻板”印象一反常态又被公认的评价:世界上最美的方程组。

而美好的事物往往又都有一个相同的特质:那就是和谐。

麦克斯韦方程组在“和谐”这个层面上堪称完美。

麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组解决的问题是“电”与“磁”之间明显存在而又无法被统一和证明的关系。


02

说到“电”与“磁”

在很久以前,人类就有限地发现了静电和静磁的现象,但在漫长历史岁月里,两者井水不犯河水。

由于摩擦起电,在古希腊及地中海区域的古老文化里,早有文字记载,将琥珀棒与猫毛摩擦后,会吸引羽毛一类的物质,“电”的英文语源更是来自于希腊文“琥珀”一词。

而关于磁,中国是对磁现象认识最早的国家之一。公元前4世纪左右成书的《管子》中就有:“上有慈石者,其下有铜金。”这是对此的最早记载。

那么要说电和磁之间究竟有什么联系还要追溯到......

1785年,法国物理学家库伦(没错,就是命名电荷量单位“C”的物理学家)将万有引力的套路应用到静电学中,和星球间发生万有引力一样,想了解两个带电球之间的作用力是否也同样遵循了相似的规律。

库仑


他就设计实验得出了静电力与电荷电量成正比,与距离的平方反比关系。

这一规律就被总结为“库仑定律”(静电力与电荷电量成正比,与距离的平方反比)。

后来他又设计实验证明了磁极之间的相互作用。这就是经典磁学理论。但库伦并没有进一步推测两者的内在联系,但这还是为整个电磁学奠定了基础。


03

终成眷属的电与磁

最先发现电和磁之间联系的,是丹麦物理学家奥斯特。

他在1820年意外地在实验中发现了电流的磁效应:当导线通电流时,下方的小磁针产生偏转。

这一惊人的发现使得年轻人纷纷转行投身其中进行深入研究,这当中就包括数学神童——安培。

当安培得知奥斯特发现电和磁的关系时,他立马放弃了自己小有成就的数学研究,进军物理学领域,最终提出了我们广为熟知的右手螺旋定则(大拇指的方向为电流方向,四指的绕向为磁场方向。

安培右手螺旋定则

后来的1831年,由法拉第发现了磁与电之间的相互联系和转化关系:只要穿过闭合电路的磁通量发生变化,闭合电路中就会产生感应电流,这种利用磁场产生电流的现象就被称为著名的电磁感应,产生的电流叫做感应电流。(全都是高中物理)


电磁感应实验

与当时大多数人还沉迷于用超距力理论来对电和磁的现象做出解释不同,法拉第首先提出了磁铁周围存在一种神秘且不可见的“电紧张态”,这就是“磁场”的概念,不过,将这些想法打造成为完整的理论超出了他的数学能力,而验证这一切的正是后来的麦克斯韦。

对前人理论的研究和探索,麦克斯韦终于在1873年出版了他的电磁学专著《电磁通论》。

这可以说是电磁学发展史上一个划时代的里程碑。在这部著作里,麦克斯韦总结了前辈们各大定律,以他特有的数学语言,建立了电磁学的微分方程组,揭示了电荷、电流、电场、磁场之间的普遍联系。这个电磁学方程,就是后来以他的名字著称的“麦克斯韦方程组”。

麦克斯韦方程组微分形式

公式表明了电场和磁场彼此不是孤立的,变化的磁场可以激发涡旋电场,变化的电场可以激发涡旋磁场,它们永远密切地联系在一起,相互激发,组成一个统一的电磁场的整体。

英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选了“最伟大的公式”,最终榜上有名的十个公式里,有著名的E=mc2、复杂的傅立叶变换、简洁的欧拉公式……但“麦克斯韦方程组”排名第一,成为“世上最伟大的公式”。

或许,并不是每个人都能看懂这个公式,但任何一个能把这几个公式看懂的人,都一定会感到背后有股凉风。虽然自然界冥冥之中自有感应,但怎么有人能解释如此完美的方程?

这组公式融合了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律,完美地揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性优美,统一了整个电磁场。比较谦虚的评价是:“一般地,宇宙间任何的电磁现象,皆可由此方程组解释。”


04

一个公式开启的人类新篇章

当我们坐在桌前的椅子上用电脑工作的时候,椅子和人体的重量已经构成了力学体系,描述力学体系基础理论的伟大人物是牛顿。

我们的电脑通过插在电源插座上电源线供电,而电源线中有工作电流流过。表述导线是如何传输电能的核心理论就是麦克斯韦电磁理论。

当我们使用手机时,我们甚至都没有想到这些手机接收和发射的都是电磁波。麦克斯韦是历史上第一位预言电磁波存在的人。

经过后人的研究和开发,我们终于有了收音机、收发报机和手机,有了航空航天的通信传输系统。我们可以操控无人机拍摄我们的家园,甚至电脑屏幕上出传输过来的图像,电磁波通信系统都不可或缺。

爱因斯坦在麦克斯韦百年诞辰的纪念会上说过,麦克斯韦是“是牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。

麦克斯韦在电磁学上取得的的成就被誉为继艾萨克·牛顿之后,“物理学的第二次大统一”,如果说17世纪是一部牛顿力学史,那么19世纪便是一部麦克斯韦电磁学史。

17世纪,牛顿定律让现代机械原理催生出蒸汽机,机器首次取代人力,人类进入“蒸汽时代”。

而后19世纪,麦克斯韦方程组启迪了爱迪生等发明家,电首次取代蒸汽,人类进入“电力时代”。


05

低调谦逊有内涵

然而,麦克斯韦的公众知名度却远不如牛顿和爱因斯坦。

麦克斯韦从剑桥毕业,比他的中学同学晚两年,毕业后在大学寻求教职也不顺利。令人遗憾的是,他在48岁就因胃癌去世了。“大器晚成”加“英年早逝”对一般人来说注定一事无成,但他在有限的生命中成果辉煌。

他的代表作《电磁通论》于1873年首次出版。今天,即使是训练有素的科学工作者有机会翻看麦克斯韦的《电磁通论》,也会被它复杂的数学吓到。麦克斯韦在学术上是孤独的,麦克斯韦去世后,后人赫兹验证了麦克斯韦的理论,当人们才开始注目麦克斯韦的电磁理论时,他已经去世近10年了。

麦克斯韦是一位温和谦卑的英国绅士,为人非常忠厚,缺少公众喜闻乐见的八卦故事,偶尔,他的学生们在课堂上听见老师受自己思路牵引而喃喃自语时,都会面面相觑、不知所云。当他意识到自己“走神”时,会腼腆地把自己拉回现实。

他是一个愿意真诚地给朋友死去的小狗写吊唁信的人,一个先后耐心护理自己垂死的父亲和妻子的人,并且经常牺牲自己的时间到为手艺人开设的新型“工人大学”里当志愿者你怎么会不喜欢这样一个人呢?

麦克斯韦去世10年后,才华横溢的发明家们前赴后继、蜂拥而至。出生于克罗地亚的特斯拉,演示了如何用电磁波点亮灯;美国的爱迪生发明了电力系统;意大利的马可尼发明了无线电报……

人们或许不知道麦克斯韦,更不知道他的模样,但空中飞舞的电磁波,满满的都是向天才致敬的呢喃。

看看网友怎么说

v93300262976:都去忙着赚钱去了,科学,没有土壤

在上海的苏联专家:近代科学基本都是欧美白人建立的,其它民族基本都是坐享其成。

好天气一号:赶快去翻翻我们的古籍 找找有没有关于电磁的记录

就让狸知道:现代文明的基石

MrLuciferr:能不能通俗易懂地让我一个文科生理解一下这个美啊。比如有个图什么的

Blenheim:英国是人类文明的灯塔[赞][赞][赞]

应佩荣:他的方程组的解与事实不相符合,错误的方程组美吗?

海纳百川66886:评论区好冷清,招不来民科评论,因为民科们看不懂这个公式,都傻眼了

肖颖50:如果世界上没有麦克斯韦和他的电磁理论,今天的世界会是什么样的?

卡卡西189217270:最完美的不应该是欧拉公式吗

沈胜衣2020:麦克斯韦天才物理学家,可惜英年早逝,

重庆叶宏:按麦克斯韦方程组的定义所预言的电磁波,其实就是无线电波。按这样的电磁波定义,光并不是电磁波(电磁振荡波),光只能算是广义的电磁波,一种与电磁现象相关的量子概率波。

v65682729716:伟大的科学家!

用户3834371581392:在中国一百万亿年以后也不会有麦克斯韦出现

望尽竹林:为什么说中国没有科学,因为科学是对学术的探讨,研究电磁并不会生产出实际产品,但推动了科技进步

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