无线电发展的基础,原来是这位“神仙”写出的!

——“电磁学大咖”系列之十一
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-03-05

无线电发展的理论基础,是一位“神仙”写的方程组。

话说麦克斯韦与法拉第的会面后,便以前辈提出的场论为起点,结合已有的库仑定律、法拉第定律、安培定律等,深入钻研起来。这位天才科学家几年如一日,不但完成了法拉第的愿望,还最终为无线电的阔步发展奠定理论基础。

最伟大的公式

1865年冬天,英国伦敦异常寒冷。在市区的一栋简陋阁楼里,麦克思韦正在专心致志地伏案演算。不远处的小炉,火燃正旺。这是一栋狭长的房子,由于没有更多的钱,他只能通过生炉火来调节室内的温度。小炉数量有限,所以他必须尽量靠近它,已获取热量。让他颇为满意的是,善解人意的妻子不但操持家务,还常常充当实验助手,或做一些简单的计算。

此时,离他与法拉第会面已经有五个年头!

经过艰苦的研究,麦克思韦终于在34岁时总结出电磁学理论的方程组。此方程组由四个方程式组成,分别阐述的是安培环路定理、法拉第电磁感应定律、磁场高斯定理、电场高斯定理。由于这组方程不但几乎包括了所有的电磁学规律,还构思巧妙,表达简洁而明了,所以后人称其是“神仙写出来的”,并命其名为麦克思韦方程组。

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积分、微分形式的麦克斯韦方程组。(来源于网络)

通俗地讲,麦克思韦方程组表示:电磁感应的本质是变化的磁场产生电场,不论周围有元闭合回路存在;不仅电流能够产生磁场,任何变化的电场都要在周围空间产生磁场。更形象地说,四个方程就是四句话:电场有源,磁场无源,电动生磁,磁动生电。

麦克思韦方程组为我们勾画出一幅完美的图像:变化的电场在它周围产生变化的磁场,变化的磁场又在周围产生变化的电场,变化的电场再产生变化的磁场……如此不断交替产生,就构成了统一的电磁场。

通过这组方程,麦克思韦预言了电磁波的存在。接着,靠纸笔演算,他推算出电磁波速度与光速恰好一致,都是30万公里每秒,由此,他大胆推断认为光就是一种电磁波。

这可是了不起的理论。诠释一切宏观电磁现象(包括静电、电磁感应、电路、电磁波等)只是麦克思韦方程组的表象,把光学现象统一在这个理论框架之内,这才是它对科学最大的贡献。后人认为,麦克斯韦方程组堪称把电磁学和量子学结合起来的桥梁。

关于这点,后来的科学大咖爱因斯坦更有发言权。暂且不表。

这个号称科学史上最伟大公式的麦克思韦方程组,足以让法拉第死前瞑目!

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麦克斯韦方程组。(来源于网络)

为电磁学奉献终生

麦克斯韦方程组的问世,在当时的科学界掀起一阵波涛,大家对麦克斯韦都报以崇敬的态度;然而,他提出的电磁波理论(包括电磁波的概念及电磁波速度等),一时还没有人接受。毕竟,麦克斯韦方程组讲的都是极高深的东西,当时只有小部分科学家才能看得懂。

由于身体出现不适,在妻子的再三坚持下,麦克斯韦辞去教职,与妻子一起回到苏格兰老家的伦莱厄庄园。妻子本来希望丈夫在乡下钓钓鱼,打打猎,过悠闲的生活。但麦克斯韦在家专心研究和写作。8年后的1873年,他终于完成了科学巨著《电磁通论》。此书主要用积分和微分来描述物理现象,从数学表达上显得对称、漂亮且简洁。尽管巨著出版在当时引起了轰动,但能真正读懂它的人寥寥无几。

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《电磁通论》封面。(来源于网络)

在家乡呆了6年之后,麦克斯韦再度应邀回到伦敦的剑桥大学,负责筹建卡文迪许实验室。卡文迪许是英国著名的物理学家和化学家,一生实验研究50年之久,在热学理论、气象学、大地磁学等方面都有深入研究,并通过扭秤实验验证万有引力定律,推算出地球密度。麦克斯韦尽力整理卡文迪许大量没有发表的实验资料,为世界科学作出了重要贡献。

与此同时,麦克斯韦坚持在剑桥大学主讲一门课程,内容主要是电磁学。虽然他的身体健康每况愈下,但仍然支撑病体,走上讲台。他讲的课程“又玄又深”,微积分公式又让人打脑壳,所以讲堂上学生并不多,最少的时候只有两个人。

1879年,麦克斯韦病逝于伦敦,享年48岁。

带动无线电大发展

麦克斯韦逝世前没有看到电磁波被证实,这不能不说是一种遗憾。

世界在发展,科学在进步。麦克斯韦逝世9年后的1888年,德国青年赫兹不但用实验证实了电磁波的存在,还测定了电磁波的频率和波长,算出它的传播速度为每秒30万公里,这与麦克斯韦预言的一样。

赫兹的实验轰动了全世界。从法拉第到麦克斯韦再到赫兹,电磁波的秘密终于被完全解开。此后不到6年时间,意大利科学家马可尼和俄国科学家波波夫分别实现了无线电的长距离传播。无线电报、无线电话、电视、雷达等广泛运用,无线电技术蓬勃发展起来。可以试想,如果没有麦克斯韦,我们现在可能还用不上手机、电脑。

另一方面,爱因斯坦在研究麦克斯韦方程组及其电磁理论时深受启发,不但引出了狭义相对论,创立质量和能量等效性原理,还决定以同样的方式统一引力场,并提出著名的“大一统理论”:将宏观与微观的两种力放在同一组方程式中。虽然直到他到逝世时也没解决这个难题,但这也向后世科学家提出一个信号:有麦克斯韦方程组的先例,物理学或许也能类似地被人类清楚地描述出来!

鉴于此,1931年爱因斯坦在麦克斯韦生辰百年纪念会上郑重指出:“麦克斯韦的工作是牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作,(它)使物理现实的概念得到了改变。”

这应该是对奠定无线电发展理论基础的麦克斯韦的最公正评价!

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麦克斯韦雕像。(来源于网络)

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