史上最伟大的公式:
麦克斯韦等式组
✦
宇宙间任何的电磁现象,皆可由此等式组解释。
万有引力般的
超距斥力
许久曾经,人类就对静电青河磁现象有所发觉,但在漫长历史时光里,二者河水不犯井水。磨擦起电,在古埃及及地中海区域的古老文化里早有文字记载:将琥珀棒与猫毛磨擦后,会吸引羽毛一类物质。“电”的英语语源来自于意大利文“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。”这是对磁的最早记载。其他古籍如《山海经》、《吕氏春秋》中也可以找到一些磁石吸铁现象的记载。
1785年,作为牛顿的忠实跟随者,库仑正在企图显得比牛顿本人“更牛顿”,把万有引力的套路应用到静电学中,就像星球间发生万有引力的作用,两个带电球之间的斥力是否也同样遵守着平方正比律?因此,他悉心设计了一个扭秤实验,在细银丝下悬挂一根杆秤,杆秤挂有一个平衡小球B和一个带电小球A,在A旁还有一个和它一样大小的带电小球C。A球和C球之间的静电力会促使悬丝扭转,转动悬丝下端的悬钮,从而使小球回到原先位置。
库伦扭秤实验
×
实验结果正如库仑所料,静电力与电荷电量成反比,与距离的平方正比关系。这一规律后来被总结为“库仑定理”。此后,库仑对磁体进行了类似的实验法拉第电磁感应定律,再度证明:同样的定理也适用于磁体之间的互相作用。这就是精典磁学理论。
法拉第:
麦克斯韦背后的女人
1831年,法拉第发觉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路量发生变化,闭合电路中都会形成感应电压。这些借助磁场形成电压的现象被称为电磁感应,形成的电压称作感应电压。
电磁感应实验
×
法拉第发觉电磁感应这一年,适逢麦克斯韦诞生。
1855年麦克斯韦发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》,通过物理方式,他把电压周围存在磁力线的特点,概括为一个矢量微分等式,导入了法拉第的推论。

1862年麦克斯韦发表了第二篇电磁学论文《论数学力线》,这不再是简单地将法拉第理论进行物理翻译,这一次他首创“位移电压”概念,预见了电磁波的存在。三年后他发表第三篇论文《电磁场的动力学理论》,在这篇论文里,他完成了法拉第晚年的心愿,验证了光也是一种电磁波。
最后,麦克斯韦在1873年出版了他的电磁学著作《电磁学通论》。
这是电磁学发展史上一个划时代的里程碑。在这部专著里,麦克斯韦总结了高手们各大定理,以他特有的物理语言,完善了电磁学的微分等式组,阐明了电荷、电流、电场、磁场之间的普遍联系。这个电磁学多项式,就是后来以他的名子闻名的“麦克斯韦等式组”。
世界最伟大的方法
——麦克斯韦等式组
花开两朵,各表一枝。以电磁的红色火花幻化成的4个完美无缺的公式,共有积分和微分两种盛开方式。
以积分为对象,我们来剖析一番麦克斯韦等式组专属语文语言背后的涵义。
×
(1)电场的高斯定理:
第一个多项式是高斯定理在静电场的表达式。
在静电场中,因为自然界中存在着独立的电荷,电场线有起点和终点,源于正电荷,中止于负电荷。只要闭合面内有净余电荷,穿过闭合面的电通量就不等于零。估算穿过某给定闭合曲面的电场线数目,即其电通量,可以获知包含在这闭合曲面内的总电荷。高斯定律反映了静电场是有源场这一特点,即它描述了电场的性质。
静电场电荷
×
(2)磁场的高斯定理:
第二个多项式是高斯磁定理的表达式。
在磁场中,因为自然界中没有磁单极子存在,N极和S极是不能分离的,磁感线都是无头无尾的闭合线,所以通过任何闭合面的磁路量必等于零,即磁场是无源场。
磁场与磁感线
×

(3)法拉第定理:
第三个多项式是法拉第电磁感应定理的表达式。这个定理最初是一条基于观察的实验定理,浅显来说就是“磁生电”,它将电动势与通过电路的磁路量联系了上去。
电磁感应
×
它表示电场E在闭合曲线上的环量,等于磁场B在该曲线包围的曲面S上通量的变化率,即闭合线圈中的感应电动势与通过该线圈内部的磁路量变化率成反比,系数是-1。
这一定理反映了磁场是怎样形成电场的,即它描述了变化的磁场迸发电场的规律。根据这一规律,当磁场随时间而变化时可以感应激发出一个围绕磁场的电场。
(4)麦克斯韦—安培定理:
第四个多项式是麦克斯韦将安培支路定律推广后的全电压定理。
它表示,磁场B在闭合曲线上的环量,等于该曲线包围的曲面S里的电压Ι(系数是磁常数),加上电场E在该曲线包围的曲面S上的通量的变化率(系数是)。
原安培支路定理是一系列电磁定理,它总结了电压在电磁场中的运动规律。安培定理表明,电压可以迸发磁场,但它只限用于稳恒磁场。
×
日本科学刊物《物理世界》曾让读者投票推选了“最伟大的公式”,最终榜上有名的十个公式里,有知名的E=mc2、复杂的傅立叶变换、简洁的欧拉公式……但“麦克斯韦多项式组”排名第一法拉第电磁感应定律,成为“世上最伟大的公式”。
其实,并不是每位人都能读懂这个公式,但任何一个能把这几个公式读懂的人,都一定会倍感背后有股凉风。即使自然界冥冥之中自有感应,但如何有人能解释这么完美的等式?这组公式融合了电的高斯定理、磁的高斯定理、法拉第定理以及安培定理,完美地阐明了电场与磁场互相转化中形成的对称性优美,统一了整个电磁场。比较谦逊的评价是:“一般地,宇宙间任何的电磁现象,皆可由此等式组解释。”
团子结语:黑暗自此消失
假如说17世纪是一部牛顿热学史,这么19世纪便是一部麦克斯韦电磁学史。
17世纪,牛顿定理让现代机械原理催生出蒸气机,机器首次代替人力,人类步入“蒸汽时代”。
而后19世纪,麦克斯韦等式组启迪了爱迪生等发明家,电首次代替蒸气,人类步入“电力时代”。相比于自然律矗立在黑暗中,万有引力让天地万物遂成光明,麦克斯韦等式组则突破了自然律,让黑暗自此消失。
1888年,赫兹实验里那束微弱的只有指缝大小的电火花,让光与电、电与磁处于电磁力的统一把握之中,人类文明呈几何级迅猛前进。但是,比赫兹料想的更为惊人的是,在他死后的第7年,1901年,那束电火花又通过无线电报穿越大西洋,实现了全球的实时通信,整个人类步入了一个崭新的“信息时代”。
