第二十四課
結(jié)作雙葩合一枝——電與磁的牽手與出擊
主講人
《云里·悟理》系列微課簡介
在這兒遇到新數(shù)學，在這兒洞見新未來，我是中科院化學所副研究員劉恩克。同學們你們好，明天我給你們帶來的是電磁波方面的有關(guān)知識，這一講的題目是：電與磁的牽手與出擊。
19世紀的初期是人類自然科學史上一個興奮人心的時期，而與此同時，也是人們對電和磁的本源以及它們之間的互相關(guān)系倍感十分困擾的一個時期。在1785年，庫侖發(fā)覺了庫侖定理：靜電力與電荷量成反比而與距離的平方成正比，同時發(fā)覺磁體之間也具有相同的規(guī)律，這與萬有引力公式十分類似。那種時侯人們覺得電和磁之間沒有哪些關(guān)系，當時數(shù)學中的能量、熱、電、光、磁都可以描述成像萬有引力那樣的超距作用。牛頓熱學的霸主地位統(tǒng)治著整個意大利，而大約在1800年前后，伏打發(fā)明了伏打電瓶以及伏打電堆，這為后來的電磁研究提供了穩(wěn)恒電壓。
新紀元的開創(chuàng)者：奧斯特
01
漢斯·克里斯汀·奧斯特
英國化學學家、化學家
假如要在電磁學的發(fā)展史上找出第一人的話，這么此人當屬德國化學學家、化學家漢斯·奧斯特。奧斯特生于1777年，此時正值中國的清乾隆42年，他成立了德國科技學院，發(fā)覺了鋁元素，他也是安徒生的好同事。1801年，24歲的奧斯特周游美國，認識了日本化學學家約翰·芮特，芮特告訴他電和磁之間一定有某種關(guān)系，這個概念就深深地印在了奧斯特的心里。
在1820年的4月，也就是整整200年前的夏天，奧斯特在給中學生做課堂演示實驗快要結(jié)束的時侯，發(fā)覺線路后面羅盤的表針擺動了一下。聽說奧斯特聽到這個現(xiàn)象的時侯十分興奮，在課堂上還摔了一跤，這是他首次發(fā)覺電磁效應(yīng)，隨后他又做了60多次實驗，最終確定了這個現(xiàn)象。在奧斯特發(fā)覺的電磁現(xiàn)象當中，他發(fā)覺電壓對磁的影響不僅剩在于電壓的周圍，還存在于垂直導(dǎo)線的方向，但是電壓與n極的這些作用可以通過各類介質(zhì)，也就是說它不受介質(zhì)的影響，等等這種現(xiàn)象。在通濁度線的周圍，他意識到確實存在著一個磁場。
奧斯特在給中學生做課堂演示
在1820年的7月份他發(fā)表了《論n極的電壓沖擊作用》，即將向世界宣告了電磁現(xiàn)象。這在19世紀初期的西歐造成了巨大的反響，使得當時的好多年青人競相投入到這個研究當中。后來安德烈·安培曾寫道，奧斯特先生早已永遠地把他的名子和一個新紀元聯(lián)系在一起了。
熱學中的牛頓：安培
02
安德烈·瑪麗·安培
日本化學學家、化學家和物理家
安德烈·瑪麗·安培生于1775年，比奧斯特還要大兩歲，他出身權(quán)貴，從小才智出色，具有特別好的物理天賦，對歷史、詩歌、哲學以及自然科學都有好多的研究。他常常專心致志地思索科學問題，大約在26歲的時侯，他就成為了數(shù)學學和物理院士。
安培他受庫侖的影響，仍然敬奉電和磁之間沒有任何關(guān)系，這樣的認知，在1820年9月的時侯得悉奧斯特發(fā)覺了電磁現(xiàn)象后，遭到了極大的振動。他決定開始研究電磁現(xiàn)象，盡管此時安培他才45歲，而且生命留給他的時間已然不多了，此時距離安培逝世還有16年。安培不愧為安培，他立刻集中全部精力研究，第二天就重復(fù)出了奧斯特的實驗結(jié)果，在幾周之內(nèi)就突破性地研究出了電壓與電壓之間的電磁作用，并提出了我們所熟知的安培定則，也就是雙手螺旋定則，在兩個月后便遞交了研究論文。
手指螺旋定則
通過安培定則，可以對線性導(dǎo)線、螺線管以及各類方式的載流線圈的電壓和磁場的方向進行判斷。在電壓與電壓互相作用的研究當中，他發(fā)覺當兩個電壓方向相同的時侯會互相吸引。在磁場當中，載流導(dǎo)線會遭到安培力，安培力的具體表現(xiàn)后來被俄羅斯化學學家楞次總結(jié)，得到右手定則，確定安培力的方向垂直于電壓和磁場方向它們所決定的平面。在1826年的時侯，安培進一步通過物理的推論提出了安培支路定律，這個定律后來成為麥克斯韋多項式組之一。同年，安培他發(fā)表了電磁學史上一部精典的專著——《電磁現(xiàn)象的物理原理》。
右手定則
安培在安培定則中闡明了電磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，將電磁學研究真正的語文化，并成為數(shù)學學中一大理論體系電動熱學的一個重要基礎(chǔ)。麥克斯韋后來覺得安培的成果是人類科學史上最輝煌的成就之一，但是他稱安培為熱學中的牛頓。
電磁學之父：法拉第
03
邁克爾·法拉第
日本化學學家、化學家、發(fā)明家。
與此同時，在電磁學研究史上有另外一個重要的人物——法拉第。邁克爾·法拉第于1791年誕生在一個貧困的鐵匠家庭，只上過五年的中學，做過報童和學徒，可是他期間閱讀了大量的書籍，包括大英百科全書，尤其被其中的熱學部份深深地吸引。法拉第勤勉好學，但是塌實努力，動手能力十分強。
在1820年前后，法拉第始終都在做物理研究，包括冶金物理和有機物理。直至1821年，他碰巧地了解到奧斯特的電磁現(xiàn)象，并對此形成了濃郁的興趣。他認為假如固定吸鐵石，線圈它也是可能會動的，于是他就制做了一個特別簡單的裝置，只要有電壓通過，他發(fā)覺線圈會繞著馬蹄形的吸鐵石不停地轉(zhuǎn)動，這就是現(xiàn)代電動機的先祖，法拉第的第一項重大發(fā)明。
隨后像其他當時的化學學家一樣，法拉第做了一系列的實驗探求，企圖實現(xiàn)磁感生電，而且仍然沒有成功。仍然到1831年的8月，法拉第發(fā)覺假如把兩個線圈放到一起，通電纜線圈電壓接通或斷掉的頓時，另外一個線圈上面電壓計的表針會發(fā)生忽然的跳動，他意識到這是一個瞬態(tài)效應(yīng)，只有變化的磁才可能會形成電。長達10年的坎坷，法拉第總算發(fā)覺了這個非常重要的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，也就是說閉合電路中的感生電動勢的大小等于通過這個電路中磁路量的變化率。
法拉第使用的感應(yīng)線圈(1831)
與此同時，法拉第并沒有停出來步伐，在兩個月之后他就發(fā)明了一個裝置，稱之為圓編發(fā)馬達，這是人類歷史上創(chuàng)造出的第一個發(fā)電機，它是交流發(fā)電機的先祖，這是法拉第的第二個重大發(fā)明。這開通了除電瓶以外形成電壓的一個新公路，致使電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠距離輸送成為可能。
1832年，法拉第將電磁感應(yīng)定理發(fā)表在了《電學實驗研究》這篇論文當中，法拉第電磁感應(yīng)屬于實驗描述，后來由楞次進行了物理化，并成為了麥克斯韋多項式組中的另一個重要等式。1837年，法拉第進一步地引入了電場和磁場的概念，他強調(diào)電和磁的周圍有場的存在，場的表現(xiàn)方式是力線在空間中游走。法拉第把電力線和磁力線作為場的概念引入了精典化學學，這種概念直接打破了牛頓熱學中關(guān)于超距作用的傳統(tǒng)概念，當時也受到了好多的指責和反對。
磁場和電場
法拉第一生做了好多的研究，他發(fā)覺了法拉第磁光效應(yīng)，并預(yù)言光也是電磁波，還研究了物質(zhì)的抗磁性以及法拉第電解定理等等。1867年的8月25日，邁克爾·法拉第在他臥室的桌子上安詳?shù)厝ナ溃淮茖W巨匠在給人類帶來了無價的寶藏以后，與世長辭。法拉第的貢獻，造福我們的每一個人，他把人類文明推向了新的高度，極大地推動了人類文明的發(fā)展進程。十分遺憾的是，直至法拉第先生逝世，法拉第電磁感應(yīng)定理，尤其是電磁力場的概念也沒有得到足夠的認可。辛運的是，就在法拉第發(fā)覺電磁感應(yīng)的那一年，一個在電磁學史上，非常重要的人誕生了，此人正是麥克斯韋。
第二次大統(tǒng)一造就者：麥克斯韋
04
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋
日本化學學家、數(shù)學家
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋生于1831年，他出身貴族，14歲的時侯就發(fā)表了幾何學的論文。在1854年，麥克斯韋博士結(jié)業(yè)，他閱讀了法拉第的《電學實驗研究》，立刻被書中這些新穎的實驗現(xiàn)象和觀點所吸引了。在超距作用一統(tǒng)江湖的當時，他迅速意識到場和力線這些思想的重大意義，同時他也注意到法拉第在敘述里面的不足，于是他就形成了一個十分急迫的看法，希望就能借助自己所把握的物理方式把法拉第的發(fā)覺給推論下來。
第二年，麥克斯韋就發(fā)表了他的第一篇電磁學論文《論法拉第的力線》，它把電壓周圍存在的力場的特征用流體熱學上面流線的這些模型概括為一個特殊的物理多項式，也就是三維矢量微分等式，成功地推導(dǎo)入了法拉第的實驗推論。法拉第見到麥克斯韋的這篇文章以后喜出望外，他的實驗觀測可以用物理的方式描述，同時他也勸告麥克斯韋，希望麥克斯韋不僅僅要逗留在物理的推論里面，還要進一步地突破他原先的實驗觀察。
在1862年，麥克斯韋發(fā)表了他的第二篇電磁學論文《論數(shù)學力線》。這一次他不再是簡單地把法拉第的實驗觀測進行物理的推論，而是覺得在渦旋電場當中存在著電壓，他首創(chuàng)地稱之為位移電壓，并預(yù)言了電磁波的存在。在1864年，他發(fā)表了第三篇論文《電磁場的動力學理論》，在這篇論文當中，他完成了法拉第晚年一個重要的心愿，用理論證明了光是一種電磁波。
1873年麥克斯韋出版了他的《電磁學通論》，成為繼牛頓《自然哲學的物理原理》之后又一部重要的數(shù)學學精典。在麥克斯韋的工作當中，他給出了一個麥克斯韋多項式組，后來經(jīng)過其它的化學學家進行簡化，得到了一個擁有四個多項式的多項式組，其中它是兩個關(guān)于電場的等式，兩個是關(guān)于磁場的等式。它們反映了電場是一個有源場，而磁場是一個無源場，同時又進一步地強調(diào)電和磁并非孤立存在的。按照法拉第電磁感應(yīng)定理，變化的磁場可以迸發(fā)渦旋電場，又按照全電壓安培支路定律，變化的電場可以迸發(fā)渦旋的磁場。兩者之間環(huán)環(huán)相扣，互相迸發(fā)，組成了一個統(tǒng)一的電磁場，這周期的循環(huán)，正是電磁波的這些自發(fā)傳播，且其傳播的速率等于光速。這就是麥克斯韋等式組的基本概念，也是電磁學理論的核心思想。
麥克斯韋等式組是19世紀數(shù)學學發(fā)展史上最光輝的成就之一，它打造了人類現(xiàn)代文明的基石。在1879年，年僅48歲的麥克斯韋因病治療無效而溘然長逝。麥克斯韋逝世后，人們?yōu)榱俗C明電磁波理論的正確性，有一大批人投入到了實驗探求的洪流之中，一度產(chǎn)生了麥克斯韋學派。在1888年物理電學之父，奧地利化學學家赫茲通過實驗否認了電磁波的存在。1901年，美國無線電工程師馬可尼挪到新加坡拉著風箏天線，接收到了來自大西洋彼岸的無線電報，由于這個酷炫的人，人類自此步入了無線通訊時代，至此麥克斯韋等式組取得了決定性的勝利。歷史總是有太多的巧合，就在麥克斯韋不幸逝世的那一年，下一個輝煌時代的開創(chuàng)者在美國誕生了，此人正是愛因斯坦。
從花開兩朵，到結(jié)作雙葩合一枝
05
電和磁，從百年前的花開兩朵，到此時的結(jié)作雙葩合一枝。從孤立的存在，到奧斯特、安培發(fā)覺電壓的磁效應(yīng)，再經(jīng)過法拉第的奠基，直至最后麥克斯韋電磁理論的完善，前后經(jīng)過了半個多世紀的時間。這個階段經(jīng)過了四大天王的輪番轟炸，我們可以稱之為“王炸階段”。
電磁學四大天王
在電磁學理論的發(fā)展史上，第一位上場的歷史人物奧斯特，他仍然深信自然力統(tǒng)一這一康德哲學，深信電和磁之間是有關(guān)聯(lián)的，他一心執(zhí)著、一腔熱血，總算于1820年發(fā)覺了電磁現(xiàn)象。
在此之前，安培他仍然主要從事物理的研究，他并不相信電和磁之間有互相作用，當曉得奧斯特的電磁感應(yīng)現(xiàn)象之后，他用奇特透徹的物理方式將其實驗現(xiàn)象進行了科學推進，用自己生命1/10的時間將奧斯特的實驗現(xiàn)象給科學化，并成為電動熱學的先驅(qū)，我們可以稱安培一份接納、一身才氣。
法拉第的電磁感應(yīng)、電動機、發(fā)電機、場和力線這種概念，除了蘊育了麥克斯韋電磁學理論，也為人類的電氣時代鋪平了公路，我們可以稱法拉第是一生求學、一手手藝、一代巨匠。
在法拉第的實驗觀測的基礎(chǔ)上，麥克斯韋完成了電磁學的理論大樓，實現(xiàn)了電、磁、光的大統(tǒng)一，成為了電磁學理論的集大成者。據(jù)悉，麥克斯韋還研究了木星環(huán)，熱力學上面的麥克斯韋妖以及統(tǒng)計數(shù)學中的麥克斯韋分布，我們可以稱麥克斯韋為一生探求、一代天驕。
在電磁學理論發(fā)展的過程當中，我們可以見到奧斯特和安培發(fā)覺了電生磁，而法拉第發(fā)覺了磁生電，最后麥克斯韋完成了整個電磁學理論的統(tǒng)一。
這4個歷史人物我們可以看見，安培和麥克斯韋在13、14歲的時侯就發(fā)表了物理論文，而法拉第在13歲的時侯還是訂書城上面的一名學徒，法拉第是一名出眾的實驗化學學家，而且他的語文能力十分有限。我們從這4個人對電磁學的發(fā)展歷史的貢獻上也可以看下來語文在其中飾演著十分重要的角色。
任何一門學科只有當能用物理來進行嚴格描述的時侯，能夠真正地被稱之為科學。并且法拉第懂得用簡練、直觀的語言來抒發(fā)在科學里面的看法，麥克斯韋他能否借助自己博學的知識和非凡的想像能力來進行物理理論的描述，最后經(jīng)過四位重要人物的不懈努力，人類進入了電磁時代。
電與磁的出擊
06
以麥克斯韋等式組為基礎(chǔ)的電磁感應(yīng)為人類社會帶來了深刻的變化，一方面的表現(xiàn)是能量的轉(zhuǎn)換，另一面的表現(xiàn)是信息的傳遞。現(xiàn)代社會當中我們所借助的風力發(fā)電機、水力發(fā)電機以及電磁起重、電磁閥、電磁浮選等等都是基于法拉第感應(yīng)定理。
風力發(fā)電以及真空感應(yīng)熔煉爐
在科學研究當中制備樣品時，我們還采用了一種叫真空感應(yīng)熔煉的技術(shù)，它借助線圈中的交流電壓在金屬塊體內(nèi)形成渦旋電壓，因而形成焦耳熱把金屬融化。另一個重要的應(yīng)用電磁炮是借助磁力推進作用，將子彈高速發(fā)射出去，它借助的原理是線圈與線圈的互相作用，也就是安培定理。
電磁感應(yīng)定理的應(yīng)用在生活當中也是隨處可見，例如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、北斗導(dǎo)航以及基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)，包括現(xiàn)今和未來要完善的智慧城市、智能道路等等。現(xiàn)今世界各國也在進行著探月以及火星偵測這樣的航天活動。尤其是中國的探月工程，以及去年即即將發(fā)射的火星偵測器在今年的探月工程當中，我們還借助了在地球上方的鵲橋中繼衛(wèi)星，包括對這種信息訊號的傳遞。
我們也采用了坐落月球表面不同洋面上的遠洋檢測船來對偵測器以及衛(wèi)星進行信息指令的發(fā)送、信息的傳遞等等，這都是借助了無線電波的長距離、高速率的傳輸效應(yīng)。
就在今年的時侯，我國新近建造的500米口徑的射電望遠鏡獲得了一個重要的發(fā)覺，在通過對宇宙射電波的剖析，發(fā)覺了在4000光年以外存在著一個微秒級周期的脈沖星，這也是人們借助游走在宇宙當中的射電波來進行天文觀測。
在1977年，加拿大發(fā)射了旅行者1號深空偵測器，在它距離月球60億公里的地方回身對月球進行了一個拍攝，將月球的相片，也就是一個暗淡的藍點通過電磁波傳回給了月球，如今旅行者1號早已走到了太陽系的外圍，距離月球大約有200億公里的地方，也正是人們把握了無線電發(fā)射和接收的先進技術(shù)，才促使我們能否走得更遠，看得更遠，對宇宙進行探求。
電磁學理論的核心——麥克斯韋多項式組，闡明了電場與磁場在空間和時間的互相轉(zhuǎn)化，但是闡明了它所蘊涵的對稱美，被稱為人類最偉大的公式。關(guān)于這個公式，有一個這樣的評價說宇宙間任何的電磁現(xiàn)象，皆可由此等式組解釋，通過這一方程組可以估算出宇宙中一切光、電、磁現(xiàn)象的規(guī)律。更多的電磁奧秘等待著更多有抱負的年青人投入到我們無盡的探求和發(fā)覺中去。
在這兒遇到新數(shù)學，在這兒洞見新未來，我是中科院化學所副研究員劉恩克。這節(jié)課的講解希望還能讓朋友們對電磁學的發(fā)展背景有一個簡單的了解物理電學之父，感謝你們！
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承辦單位
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出品單位
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校對：小林完治