01

公式界的偉大與美麗

說到麥克斯韋，想必很多人是在高中物理課本上聽說過的名字，記性好一些的同學(xué)可能還會記得是麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電動力學(xué)定律。

如果你對物理學(xué)不感興趣，那么了解到以上程度就已經(jīng)非常優(yōu)秀了。

但如果你是——心懷宇宙并對理論物理發(fā)燒或渴望在這些方面有所建樹的話，這樣的認(rèn)識就顯得非常局限了。

如果我們從全世界的物理學(xué)家中隨便挑一位出來問：“你認(rèn)為還有哪位理論物理學(xué)家能夠和牛頓、愛因斯坦平起平坐？”

他們幾乎都會回答一個(gè)名字——麥克斯韋。

麥克斯韋

就像美國著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼所說：“人類歷史從長遠(yuǎn)看，好比說到一萬年以后看回來，19世紀(jì)最舉足輕重的毫無疑問就是麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電動力學(xué)定律?！?/strong>

一萬年太久，只爭朝夕。

活在人心沒有被遺忘的，都值得被慶幸。

除了麥克斯韋方程組奠定了人類“第三次工業(yè)革命”的理論基礎(chǔ)，讓人類邁進(jìn)“信息時(shí)代”嶄新的時(shí)代外，它還有一個(gè)“文藝”但卻和理論物理帶給人的“嚴(yán)肅刻板”印象一反常態(tài)又被公認(rèn)的評價(jià)：世界上最美的方程組。

而美好的事物往往又都有一個(gè)相同的特質(zhì)：那就是和諧。

麥克斯韋方程組在“和諧”這個(gè)層面上堪稱完美。

麥克斯韋方程組

麥克斯韋方程組解決的問題是“電”與“磁”之間明顯存在而又無法被統(tǒng)一和證明的關(guān)系。

02

說到“電”與“磁”

在很久以前，人類就有限地發(fā)現(xiàn)了靜電和靜磁的現(xiàn)象，但在漫長歷史歲月里，兩者井水不犯河水。

由于摩擦起電，在古希臘及地中海區(qū)域的古老文化里，早有文字記載，將琥珀棒與貓毛摩擦后，會吸引羽毛一類的物質(zhì)，“電”的英文語源更是來自于希臘文“琥珀”一詞。

而關(guān)于磁，中國是對磁現(xiàn)象認(rèn)識最早的國家之一。公元前4世紀(jì)左右成書的《管子》中就有：“上有慈石者，其下有銅金?！边@是對此的最早記載。

那么要說電和磁之間究竟有什么聯(lián)系還要追溯到......

1785年，法國物理學(xué)家?guī)靷悾]錯(cuò)，就是命名電荷量單位“C”的物理學(xué)家）將萬有引力的套路應(yīng)用到靜電學(xué)中，和星球間發(fā)生萬有引力一樣，想了解兩個(gè)帶電球之間的作用力是否也同樣遵循了相似的規(guī)律。

庫侖

他就設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出了靜電力與電荷電量成正比，與距離的平方反比關(guān)系。

這一規(guī)律就被總結(jié)為“庫侖定律”（靜電力與電荷電量成正比，與距離的平方反比）。

后來他又設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明了磁極之間的相互作用。這就是經(jīng)典磁學(xué)理論。但庫倫并沒有進(jìn)一步推測兩者的內(nèi)在聯(lián)系，但這還是為整個(gè)電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

03

終成眷屬的電與磁

最先發(fā)現(xiàn)電和磁之間聯(lián)系的，是丹麥物理學(xué)家奧斯特。

他在1820年意外地在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)線通電流時(shí)，下方的小磁針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

這一驚人的發(fā)現(xiàn)使得年輕人紛紛轉(zhuǎn)行投身其中進(jìn)行深入研究，這當(dāng)中就包括數(shù)學(xué)神童——安培。

當(dāng)安培得知奧斯特發(fā)現(xiàn)電和磁的關(guān)系時(shí)，他立馬放棄了自己小有成就的數(shù)學(xué)研究，進(jìn)軍物理學(xué)領(lǐng)域，最終提出了我們廣為熟知的右手螺旋定則（大拇指的方向?yàn)殡娏鞣较颍闹傅睦@向?yàn)榇艌龇较颉?strong>）

安培右手螺旋定則

后來的1831年，由法拉第發(fā)現(xiàn)了磁與電之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化關(guān)系：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種利用磁場產(chǎn)生電流的現(xiàn)象就被稱為著名的電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。（全都是高中物理）

電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

與當(dāng)時(shí)大多數(shù)人還沉迷于用超距力理論來對電和磁的現(xiàn)象做出解釋不同，法拉第首先提出了磁鐵周圍存在一種神秘且不可見的“電緊張態(tài)”，這就是“磁場”的概念，不過，將這些想法打造成為完整的理論超出了他的數(shù)學(xué)能力，而驗(yàn)證這一切的正是后來的麥克斯韋。

對前人理論的研究和探索，麥克斯韋終于在1873年出版了他的電磁學(xué)專著《電磁通論》。

這可以說是電磁學(xué)發(fā)展史上一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。在這部著作里，麥克斯韋總結(jié)了前輩們各大定律，以他特有的數(shù)學(xué)語言，建立了電磁學(xué)的微分方程組，揭示了電荷、電流、電場、磁場之間的普遍聯(lián)系。這個(gè)電磁學(xué)方程，就是后來以他的名字著稱的“麥克斯韋方程組”。

麥克斯韋方程組微分形式

公式表明了電場和磁場彼此不是孤立的，變化的磁場可以激發(fā)渦旋電場，變化的電場可以激發(fā)渦旋磁場，它們永遠(yuǎn)密切地聯(lián)系在一起，相互激發(fā)，組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場的整體。

英國科學(xué)期刊《物理世界》曾讓讀者投票評選了“最偉大的公式”，最終榜上有名的十個(gè)公式里，有著名的E=mc2、復(fù)雜的傅立葉變換、簡潔的歐拉公式……但“麥克斯韋方程組”排名第一，成為“世上最偉大的公式”。

或許，并不是每個(gè)人都能看懂這個(gè)公式，但任何一個(gè)能把這幾個(gè)公式看懂的人，都一定會感到背后有股涼風(fēng)。雖然自然界冥冥之中自有感應(yīng)，但怎么有人能解釋如此完美的方程？

這組公式融合了電的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律，完美地揭示了電場與磁場相互轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生的對稱性優(yōu)美，統(tǒng)一了整個(gè)電磁場。比較謙虛的評價(jià)是：“一般地，宇宙間任何的電磁現(xiàn)象，皆可由此方程組解釋?！?/strong>

04

一個(gè)公式開啟的人類新篇章

當(dāng)我們坐在桌前的椅子上用電腦工作的時(shí)候，椅子和人體的重量已經(jīng)構(gòu)成了力學(xué)體系，描述力學(xué)體系基礎(chǔ)理論的偉大人物是牛頓。

我們的電腦通過插在電源插座上電源線供電，而電源線中有工作電流流過。表述導(dǎo)線是如何傳輸電能的核心理論就是麥克斯韋電磁理論。

當(dāng)我們使用手機(jī)時(shí)，我們甚至都沒有想到這些手機(jī)接收和發(fā)射的都是電磁波。麥克斯韋是歷史上第一位預(yù)言電磁波存在的人。

經(jīng)過后人的研究和開發(fā)，我們終于有了收音機(jī)、收發(fā)報(bào)機(jī)和手機(jī)，有了航空航天的通信傳輸系統(tǒng)。我們可以操控?zé)o人機(jī)拍攝我們的家園，甚至電腦屏幕上出傳輸過來的圖像，電磁波通信系統(tǒng)都不可或缺。

愛因斯坦在麥克斯韋百年誕辰的紀(jì)念會上說過，麥克斯韋是“是牛頓以來，物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作。

麥克斯韋在電磁學(xué)上取得的的成就被譽(yù)為繼艾薩克·牛頓之后，“物理學(xué)的第二次大統(tǒng)一”，如果說17世紀(jì)是一部牛頓力學(xué)史，那么19世紀(jì)便是一部麥克斯韋電磁學(xué)史。

17世紀(jì)，牛頓定律讓現(xiàn)代機(jī)械原理催生出蒸汽機(jī)，機(jī)器首次取代人力，人類進(jìn)入“蒸汽時(shí)代”。

而后19世紀(jì)，麥克斯韋方程組啟迪了愛迪生等發(fā)明家，電首次取代蒸汽，人類進(jìn)入“電力時(shí)代”。

05

低調(diào)謙遜有內(nèi)涵

然而，麥克斯韋的公眾知名度卻遠(yuǎn)不如牛頓和愛因斯坦。

麥克斯韋從劍橋畢業(yè)，比他的中學(xué)同學(xué)晚兩年，畢業(yè)后在大學(xué)尋求教職也不順利。令人遺憾的是，他在48歲就因胃癌去世了。“大器晚成”加“英年早逝”對一般人來說注定一事無成，但他在有限的生命中成果輝煌。

他的代表作《電磁通論》于1873年首次出版。今天，即使是訓(xùn)練有素的科學(xué)工作者有機(jī)會翻看麥克斯韋的《電磁通論》，也會被它復(fù)雜的數(shù)學(xué)嚇到。麥克斯韋在學(xué)術(shù)上是孤獨(dú)的，麥克斯韋去世后，后人赫茲驗(yàn)證了麥克斯韋的理論，當(dāng)人們才開始注目麥克斯韋的電磁理論時(shí)，他已經(jīng)去世近10年了。

麥克斯韋是一位溫和謙卑的英國紳士，為人非常忠厚，缺少公眾喜聞樂見的八卦故事，偶爾，他的學(xué)生們在課堂上聽見老師受自己思路牽引而喃喃自語時(shí)，都會面面相覷、不知所云。當(dāng)他意識到自己“走神”時(shí)，會靦腆地把自己拉回現(xiàn)實(shí)。

他是一個(gè)愿意真誠地給朋友死去的小狗寫吊唁信的人，一個(gè)先后耐心護(hù)理自己垂死的父親和妻子的人，并且經(jīng)常犧牲自己的時(shí)間到為手藝人開設(shè)的新型“工人大學(xué)”里當(dāng)志愿者，你怎么會不喜歡這樣一個(gè)人呢?

麥克斯韋去世10年后，才華橫溢的發(fā)明家們前赴后繼、蜂擁而至。出生于克羅地亞的特斯拉，演示了如何用電磁波點(diǎn)亮燈；美國的愛迪生發(fā)明了電力系統(tǒng)；意大利的馬可尼發(fā)明了無線電報(bào)……

人們或許不知道麥克斯韋，更不知道他的模樣，但空中飛舞的電磁波，滿滿的都是向天才致敬的呢喃。