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为什么我在学习完麦克斯韦方程组后并没有感觉很惊讶?

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日报标题:看完麦克斯韦方程组,我感觉整本书都在发光

北冥有鱼,粒子物理

因为你没有 get 到点。

麦克斯韦方程组是第一次让我感受到做理论物理的「快感」的物理理论。快感懂不懂?就是那种太享受以至于大脑一片空白的状态!

当时读的是《泡利物理学讲义》第一卷。书中先推导出了麦克斯韦方程组,然后泡利告诉我,这个方程组有一个解,这个解被称为电磁波,它可以以光速传播,而且光也是一种电磁波。

看完这一段,我感觉整本书都在放光!然后,整个宇宙都在放光!

当时心里反复回响的一句话就是:上帝说要有光,于是便有了光

这是我实实在在,第一次感受到了物理学的魅力,从此爱上了理论物理。

到底麦克斯韦做了什么,到底麦克斯韦神奇在哪里?希望下面通俗的描述能让你体会到我当时的感受。


在麦克斯韦之前,物理学家已经发现了许多电和磁的性质,比如电荷的排斥和吸引,磁力的排斥和吸引,以及力的大小和距离的平方反比的定律。

由于这个平方反比定律,电场和磁场衰减很快,对很远距离的带电物质影响很小。

麦克斯韦尝试把它们统一起来的时候发现,这些已知的规律和公式却是不相容的,他不得不给方程(安培定律)添加额外一项来使得方程组自洽。

注意,麦克斯韦纯粹是为了理论上的自洽添加的项,这一项也让方程数学形式上更加对称。

有了这个新的一项,理论给出了一个惊人的预言:在某种情况下,电场和磁场可以不像距离的平方反比那样地衰减,相反地,它们按照距离的反比来衰减!

麦克斯韦意识到,这就形成了一种可以传播的波,一处的电流的作用可以影响很远地方的带电物体!

这种波以光速传播!

最后,麦克斯韦意识到,光就是这种波!

这就是电磁波!

我们所有的无线通信,比如手机、遥控、微波,都是基于这个理论。这对我们来说很熟悉,但在当时绝对是一个伟大的发现。

到了今天,我们想办法联系外星人,使用的也是电磁波。

许多一直是科幻或者神话的内容,比如千里眼,顺风耳,从那一刻成了可能。

电磁现象预言了电磁波,而且把光也统一起来了!

物理学家费曼在他的书中评论过:

物理中最奇妙的时刻大多是在物理规律出现统一的时候,也就是之前被认为是不同的物理现象,后来被发现是同一个物理的不同表现。整个物理的历史就是物理规律不断被统一的历史。

19 世纪最奇妙的物理时刻就是,麦克斯韦把电和磁的物理规律与光的物理规律给统一起来。麦克斯韦在完成他的伟大工作之后,完全可以说一句:「要有电和磁,于是便有了光!」

最后,还想再听一遍费曼的总结:「麦克斯韦说要有电和磁,于是便有了光。」

这就是我当时的感受。

注:

1. 以上内容参考《费曼物理学讲义第一卷》第二十八章。

2. 想了解麦克斯发现安培定律的瑕疵以及如何加上额外一项的,可以看看这个文献:http://www.physics2000.com/PDF/Text/Ch_32_MAXWELLs_EQUATIONS.pdf


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