电磁统一论——麦克斯韦发现了电和磁背后的秘密
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引言 在电与磁的历史道路上,奥斯特发现了电生磁,法拉第发现了电磁感应。 奥斯特说电能变磁,法拉第说磁能变电。它们像是一对双胞胎,行为极其相似,但又说不清是亲兄弟还是陌生人。 法拉第试图用“力线”来描述这种关系。他画了大量草图——磁铁周围的曲线、通电导线周围的圆圈,试图让看不见的电磁场变得可见。 但他有一个短板:没学过高等数学。 他能画出“力线”,能用文字描述电磁场的行为,却没法把这些想法写成精确的方程。他留下了一张“地图”,但地图上的山川河流到底长什么样,需要用数学语言重新描述一遍。 电和磁,到底是什么关系?这背后有什么秘密? 这个任务,落到了一个苏格兰人身上。 他叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。 他在回答这个问题的过程中,还在计算里看到了另一件事——一件所有人都没想到的事。 我们先从他的故事说起。 一、那个最懂法拉第的人 1831年,法拉第发现电磁感应的那一年——麦克斯韦出生在苏格兰格伦莱尔庄园。 他整个童年几乎都在这里度过,跟父亲出去游玩,总是不停地发问。从路边的树木、停着的马车,到天上的飞鸟、地上的虫子,都成了他发问的目标。 14岁的麦克斯韦被要求学画画,基本功是画蛋。他觉得这太慢了,于是想:如果我能写出蛋的方程呢?他算出了一个几何公式,画出了“笛卡尔卵形线”,这是他第一篇学术论文。 他父亲是个不随流俗的人,修缮房屋、打扫庭院、给孩子们做玩具,样样都拿手。这种动手能力对麦克斯韦后来做物理模型有很大影响。 他从小就是数学天才。15岁在爱丁堡皇家学会发表数学论文。20岁进入剑桥大学,毕业时拿了数学学位第二名。 注:麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学,14岁发表第一篇数学论文,16岁进入爱丁堡大学,19岁转入剑桥大学三一学院,23岁以数学学位第二名毕业。相当于现在顶尖大学数学/物理系本科到硕士的教育水平,但入学年龄比现在普通学生早2-3年。他在中学时期就已发表学术论文,按今天的标准看,属于极其罕见的少年天才。 但麦克斯韦的特别之处不在这里。 在当时的数学家和物理学家中,许多数学家并不认同法拉第的表达方式。因为他们觉得法拉第没有数学功底,写的论文“不规范”。他们宁愿读安培、库仑那些用公式写成的论文,也不愿看法拉第那些充满草图、“力线”、“场”这些非主流概念的描述。
麦克斯韦读了。 他不仅读了,而且被震撼了。 别人看到的是粗糙的草图,他看到的是规律。法拉第的“力线”在他眼里不是随手的勾画,而是一个巨大的暗示:电磁场不是超距作用,是真实存在于空间里的某种结构。 他决定用法拉第看不懂的数学,把法拉第的想法重新写一遍。 他选择了一个很奇怪的起点:流体力学。他用不可压缩流体的流动来类比磁力线的分布,磁力线就像流体的流线,磁场强度就像流体的流速。 1855年,他发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。他把法拉第的“力线”翻译成了流体力学方程。 法拉第读到了这篇论文,他多年来一直无法用数学表达的想法,竟然被一个年轻人如此精准地捕捉到了。他放下稿纸,心里多了一份喜悦——这不仅是因为自己的理论被理解了,更是因为整个电磁学找到了一种全新的表达方式。 他很惊讶,沉默了一会儿,然后平静地说了一句可能让麦克斯韦终生难忘的话: “我不认为自己的学说一定是真理,但是你是真正理解它的人。” 1860年,30岁的麦克斯韦在伦敦第一次见到70岁的法拉第。那时法拉第已经病重,但他把自己的想法全部交给了这个年轻人,一个能用数学读懂他“力线”的人。 法拉第的直觉式图像与麦克斯韦的数学体系,在这里完成了第一次真正的对接。 麦克斯韦已经把法拉第的力线翻译成了数学。 但翻译不是终点。 真正的问题是:如果法拉第是对的,那么电和磁之间到底遵循什么统一规律? 他开始重新审视整个电磁学。 很快,一个看似不起眼的装置,把所有理论都逼到了墙角。 它就是电容器。
麦克斯韦肖像,图片来自pixabay,感谢作者分享 二、那个让麦克斯韦睡不着的问题 1860年代初,麦克斯韦开始重新审视整个电磁学。 当时已经有了这样几条定律: 库仑定律:电荷产生电场 安培定律:电流产生磁场 法拉第定律:变化的磁场产生电场 这几条定律各自成立,但它们之间有一个明显的矛盾。 问题出在安培定律上。 安培定律说的是:电流产生环绕它的磁场。这个定律在直流电路里很好用,但在一个叫“电容器”的装置面前,却出现了漏洞。 电容器有两块金属板,中间是绝缘的。当给电容器充电时,导线里有电流,但两块板之间是断开的,没有导电电流通过。 按照安培定律,断开的电路里不应该有磁场。但麦克斯韦注意到一个奇怪的现象:如果只把导线中的电流看作磁场来源,那么电容器附近的磁场将无法解释。理论似乎缺了一块拼图。 麦克斯韦盯着电容器问题,困扰了很长时间。 如果电容器中间真的什么都没有发生,那么安培定律就是错的。但如果安培定律是对的,那么一定有什么东西被所有人忽略了。 麦克斯韦越来越倾向于第二种可能。 他开始怀疑:会不会并不是只有电流才能产生磁场? 他意识到:安培定律里缺了一项。我们通常认为“电流产生磁场”。但麦克斯韦发现,不仅电流可以产生磁场,变化的电场本身也会表现得像一种“电流源”一样产生磁场效应。这个“变化电场”产生的磁场效应,他把它叫做位移电流。 |









