第二十四课
结作双葩合一枝——电与磁的牵手与出击
主讲人
《云里·悟理》系列微课简介
在这儿遇到新数学，在这儿洞见新未来，我是中科院化学所副研究员刘恩克。同学们你们好，明天我给你们带来的是电磁波方面的有关知识，这一讲的题目是：电与磁的牵手与出击。
19世纪的初期是人类自然科学史上一个兴奋人心的时期，而与此同时，也是人们对电和磁的本源以及它们之间的互相关系倍感十分困扰的一个时期。在1785年，库仑发觉了库仑定理：静电力与电荷量成反比而与距离的平方成正比，同时发觉磁体之间也具有相同的规律，这与万有引力公式十分类似。那种时侯人们觉得电和磁之间没有哪些关系，当时数学中的能量、热、电、光、磁都可以描述成像万有引力那样的超距作用。牛顿热学的霸主地位统治着整个意大利，而大约在1800年前后，伏打发明了伏打电瓶以及伏打电堆，这为后来的电磁研究提供了稳恒电压。
新纪元的开创者：奥斯特
01
汉斯·克里斯汀·奥斯特
英国化学学家、化学家
假如要在电磁学的发展史上找出第一人的话，这么此人当属德国化学学家、化学家汉斯·奥斯特。奥斯特生于1777年，此时正值中国的清乾隆42年，他成立了德国科技学院，发觉了铝元素，他也是安徒生的好同事。1801年，24岁的奥斯特周游美国，认识了日本化学学家约翰·芮特，芮特告诉他电和磁之间一定有某种关系，这个概念就深深地印在了奥斯特的心里。
在1820年的4月，也就是整整200年前的夏天，奥斯特在给中学生做课堂演示实验快要结束的时侯，发觉线路后面罗盘的表针摆动了一下。听说奥斯特听到这个现象的时侯十分兴奋，在课堂上还摔了一跤，这是他首次发觉电磁效应，随后他又做了60多次实验，最终确定了这个现象。在奥斯特发觉的电磁现象当中，他发觉电压对磁的影响不仅剩在于电压的周围，还存在于垂直导线的方向，但是电压与n极的这些作用可以通过各类介质，也就是说它不受介质的影响，等等这种现象。在通浊度线的周围，他意识到确实存在着一个磁场。
奥斯特在给中学生做课堂演示
在1820年的7月份他发表了《论n极的电压冲击作用》，即将向世界宣告了电磁现象。这在19世纪初期的西欧造成了巨大的反响，使得当时的好多年青人竞相投入到这个研究当中。后来安德烈·安培曾写道，奥斯特先生早已永远地把他的名子和一个新纪元联系在一起了。
热学中的牛顿：安培
02
安德烈·玛丽·安培
日本化学学家、化学家和物理家
安德烈·玛丽·安培生于1775年，比奥斯特还要大两岁，他出身权贵，从小才智出色，具有特别好的物理天赋，对历史、诗歌、哲学以及自然科学都有好多的研究。他常常专心致志地思索科学问题，大约在26岁的时侯，他就成为了数学学和物理院士。
安培他受库仑的影响，仍然敬奉电和磁之间没有任何关系，这样的认知，在1820年9月的时侯得悉奥斯特发觉了电磁现象后，遭到了极大的振动。他决定开始研究电磁现象，尽管此时安培他才45岁，而且生命留给他的时间已然不多了，此时距离安培逝世还有16年。安培不愧为安培，他立刻集中全部精力研究，第二天就重复出了奥斯特的实验结果，在几周之内就突破性地研究出了电压与电压之间的电磁作用，并提出了我们所熟知的安培定则，也就是双手螺旋定则，在两个月后便递交了研究论文。
手指螺旋定则
通过安培定则，可以对线性导线、螺线管以及各类方式的载流线圈的电压和磁场的方向进行判断。在电压与电压互相作用的研究当中，他发觉当两个电压方向相同的时侯会互相吸引。在磁场当中，载流导线会遭到安培力，安培力的具体表现后来被俄罗斯化学学家楞次总结，得到右手定则，确定安培力的方向垂直于电压和磁场方向它们所决定的平面。在1826年的时侯，安培进一步通过物理的推论提出了安培支路定律，这个定律后来成为麦克斯韦多项式组之一。同年，安培他发表了电磁学史上一部精典的专著——《电磁现象的物理原理》。
右手定则
安培在安培定则中阐明了电磁现象的内在联系，将电磁学研究真正的语文化，并成为数学学中一大理论体系电动热学的一个重要基础。麦克斯韦后来觉得安培的成果是人类科学史上最辉煌的成就之一，但是他称安培为热学中的牛顿。
电磁学之父：法拉第
03
迈克尔·法拉第
日本化学学家、化学家、发明家。
与此同时，在电磁学研究史上有另外一个重要的人物——法拉第。迈克尔·法拉第于1791年诞生在一个贫困的铁匠家庭，只上过五年的中学，做过报童和学徒，可是他期间阅读了大量的书籍，包括大英百科全书，尤其被其中的热学部份深深地吸引。法拉第勤勉好学，但是塌实努力，动手能力十分强。
在1820年前后，法拉第始终都在做物理研究，包括冶金物理和有机物理。直至1821年，他碰巧地了解到奥斯特的电磁现象，并对此形成了浓郁的兴趣。他认为假如固定吸铁石，线圈它也是可能会动的，于是他就制做了一个特别简单的装置，只要有电压通过，他发觉线圈会绕着马蹄形的吸铁石不停地转动，这就是现代电动机的先祖，法拉第的第一项重大发明。
随后像其他当时的化学学家一样，法拉第做了一系列的实验探求，企图实现磁感生电，而且仍然没有成功。仍然到1831年的8月，法拉第发觉假如把两个线圈放到一起，通电缆线圈电压接通或断掉的顿时，另外一个线圈上面电压计的表针会发生忽然的跳动，他意识到这是一个瞬态效应，只有变化的磁才可能会形成电。长达10年的坎坷，法拉第总算发觉了这个非常重要的电磁感应现象，也就是说闭合电路中的感生电动势的大小等于通过这个电路中磁路量的变化率。
法拉第使用的感应线圈(1831)
与此同时，法拉第并没有停出来步伐，在两个月之后他就发明了一个装置，称之为圆编发马达，这是人类历史上创造出的第一个发电机，它是交流发电机的先祖，这是法拉第的第二个重大发明。这开通了除电瓶以外形成电压的一个新公路，致使电能的大规模生产和远距离输送成为可能。
1832年，法拉第将电磁感应定理发表在了《电学实验研究》这篇论文当中，法拉第电磁感应属于实验描述，后来由楞次进行了物理化，并成为了麦克斯韦多项式组中的另一个重要等式。1837年，法拉第进一步地引入了电场和磁场的概念，他强调电和磁的周围有场的存在，场的表现方式是力线在空间中游走。法拉第把电力线和磁力线作为场的概念引入了精典化学学，这种概念直接打破了牛顿热学中关于超距作用的传统概念，当时也受到了好多的指责和反对。
磁场和电场
法拉第一生做了好多的研究，他发觉了法拉第磁光效应，并预言光也是电磁波，还研究了物质的抗磁性以及法拉第电解定理等等。1867年的8月25日，迈克尔·法拉第在他卧室的桌子上安详地去世，一代科学巨匠在给人类带来了无价的宝藏以后，与世长辞。法拉第的贡献，造福我们的每一个人，他把人类文明推向了新的高度，极大地推动了人类文明的发展进程。十分遗憾的是，直至法拉第先生逝世，法拉第电磁感应定理，尤其是电磁力场的概念也没有得到足够的认可。辛运的是，就在法拉第发觉电磁感应的那一年，一个在电磁学史上，非常重要的人诞生了，此人正是麦克斯韦。
第二次大统一造就者：麦克斯韦
04
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
日本化学学家、数学家
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦生于1831年，他出身贵族，14岁的时侯就发表了几何学的论文。在1854年，麦克斯韦博士结业，他阅读了法拉第的《电学实验研究》，立刻被书中这些新颖的实验现象和观点所吸引了。在超距作用一统江湖的当时，他迅速意识到场和力线这些思想的重大意义，同时他也注意到法拉第在叙述里面的不足，于是他就形成了一个十分急迫的看法，希望就能借助自己所把握的物理方式把法拉第的发觉给推论下来。
第二年，麦克斯韦就发表了他的第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》，它把电压周围存在的力场的特征用流体热学上面流线的这些模型概括为一个特殊的物理多项式，也就是三维矢量微分等式，成功地推导入了法拉第的实验推论。法拉第见到麦克斯韦的这篇文章以后喜出望外，他的实验观测可以用物理的方式描述，同时他也劝告麦克斯韦，希望麦克斯韦不仅仅要逗留在物理的推论里面，还要进一步地突破他原先的实验观察。
在1862年，麦克斯韦发表了他的第二篇电磁学论文《论数学力线》。这一次他不再是简单地把法拉第的实验观测进行物理的推论，而是觉得在涡旋电场当中存在着电压，他首创地称之为位移电压，并预言了电磁波的存在。在1864年，他发表了第三篇论文《电磁场的动力学理论》，在这篇论文当中，他完成了法拉第晚年一个重要的心愿，用理论证明了光是一种电磁波。
1873年麦克斯韦出版了他的《电磁学通论》，成为继牛顿《自然哲学的物理原理》之后又一部重要的数学学精典。在麦克斯韦的工作当中，他给出了一个麦克斯韦多项式组，后来经过其它的化学学家进行简化，得到了一个拥有四个多项式的多项式组，其中它是两个关于电场的等式，两个是关于磁场的等式。它们反映了电场是一个有源场，而磁场是一个无源场，同时又进一步地强调电和磁并非孤立存在的。按照法拉第电磁感应定理，变化的磁场可以迸发涡旋电场，又按照全电压安培支路定律，变化的电场可以迸发涡旋的磁场。两者之间环环相扣，互相迸发，组成了一个统一的电磁场，这周期的循环，正是电磁波的这些自发传播，且其传播的速率等于光速。这就是麦克斯韦等式组的基本概念，也是电磁学理论的核心思想。
麦克斯韦等式组是19世纪数学学发展史上最光辉的成就之一，它打造了人类现代文明的基石。在1879年，年仅48岁的麦克斯韦因病治疗无效而溘然长逝。麦克斯韦逝世后，人们为了证明电磁波理论的正确性，有一大批人投入到了实验探求的洪流之中，一度产生了麦克斯韦学派。在1888年物理电学之父，奥地利化学学家赫兹通过实验否认了电磁波的存在。1901年，美国无线电工程师马可尼挪到新加坡拉着风筝天线，接收到了来自大西洋彼岸的无线电报，由于这个酷炫的人，人类自此步入了无线通讯时代，至此麦克斯韦等式组取得了决定性的胜利。历史总是有太多的巧合，就在麦克斯韦不幸逝世的那一年，下一个辉煌时代的开创者在美国诞生了，此人正是爱因斯坦。
从花开两朵，到结作双葩合一枝
05
电和磁，从百年前的花开两朵，到此时的结作双葩合一枝。从孤立的存在，到奥斯特、安培发觉电压的磁效应，再经过法拉第的奠基，直至最后麦克斯韦电磁理论的完善，前后经过了半个多世纪的时间。这个阶段经过了四大天王的轮番轰炸，我们可以称之为“王炸阶段”。
电磁学四大天王
在电磁学理论的发展史上，第一位上场的历史人物奥斯特，他仍然深信自然力统一这一康德哲学，深信电和磁之间是有关联的，他一心执著、一腔热血，总算于1820年发觉了电磁现象。
在此之前，安培他仍然主要从事物理的研究，他并不相信电和磁之间有互相作用，当晓得奥斯特的电磁感应现象之后，他用奇特透彻的物理方式将其实验现象进行了科学推进，用自己生命1/10的时间将奥斯特的实验现象给科学化，并成为电动热学的先驱，我们可以称安培一份接纳、一身才气。
法拉第的电磁感应、电动机、发电机、场和力线这种概念，除了蕴育了麦克斯韦电磁学理论，也为人类的电气时代铺平了公路，我们可以称法拉第是一生求学、一手手艺、一代巨匠。
在法拉第的实验观测的基础上，麦克斯韦完成了电磁学的理论大楼，实现了电、磁、光的大统一，成为了电磁学理论的集大成者。据悉，麦克斯韦还研究了木星环，热力学上面的麦克斯韦妖以及统计数学中的麦克斯韦分布，我们可以称麦克斯韦为一生探求、一代天骄。
在电磁学理论发展的过程当中，我们可以见到奥斯特和安培发觉了电生磁，而法拉第发觉了磁生电，最后麦克斯韦完成了整个电磁学理论的统一。
这4个历史人物我们可以看见，安培和麦克斯韦在13、14岁的时侯就发表了物理论文，而法拉第在13岁的时侯还是订书城上面的一名学徒，法拉第是一名出众的实验化学学家，而且他的语文能力十分有限。我们从这4个人对电磁学的发展历史的贡献上也可以看下来语文在其中饰演着十分重要的角色。
任何一门学科只有当能用物理来进行严格描述的时侯，能够真正地被称之为科学。并且法拉第懂得用简练、直观的语言来抒发在科学里面的看法，麦克斯韦他能否借助自己博学的知识和非凡的想像能力来进行物理理论的描述，最后经过四位重要人物的不懈努力，人类进入了电磁时代。
电与磁的出击
06
以麦克斯韦等式组为基础的电磁感应为人类社会带来了深刻的变化，一方面的表现是能量的转换，另一面的表现是信息的传递。现代社会当中我们所借助的风力发电机、水力发电机以及电磁起重、电磁阀、电磁浮选等等都是基于法拉第感应定理。
风力发电以及真空感应熔炼炉
在科学研究当中制备样品时，我们还采用了一种叫真空感应熔炼的技术，它借助线圈中的交流电压在金属块体内形成涡旋电压，因而形成焦耳热把金属融化。另一个重要的应用电磁炮是借助磁力推进作用，将子弹高速发射出去，它借助的原理是线圈与线圈的互相作用，也就是安培定理。
电磁感应定理的应用在生活当中也是随处可见，例如卫星导航系统、北斗导航以及基于北斗导航的农业机械化作业，包括现今和未来要完善的智慧城市、智能道路等等。现今世界各国也在进行着探月以及火星侦测这样的航天活动。尤其是中国的探月工程，以及去年即即将发射的火星侦测器在今年的探月工程当中，我们还借助了在地球上方的鹊桥中继卫星，包括对这种信息讯号的传递。
我们也采用了坐落月球表面不同洋面上的远洋检测船来对侦测器以及卫星进行信息指令的发送、信息的传递等等，这都是借助了无线电波的长距离、高速率的传输效应。
就在今年的时侯，我国新近建造的500米口径的射电望远镜获得了一个重要的发觉，在通过对宇宙射电波的剖析，发觉了在4000光年以外存在着一个微秒级周期的脉冲星，这也是人们借助游走在宇宙当中的射电波来进行天文观测。
在1977年，加拿大发射了旅行者1号深空侦测器，在它距离月球60亿公里的地方回身对月球进行了一个拍摄，将月球的相片，也就是一个暗淡的蓝点通过电磁波传回给了月球，如今旅行者1号早已走到了太阳系的外围，距离月球大约有200亿公里的地方，也正是人们把握了无线电发射和接收的先进技术，才促使我们能否走得更远，看得更远，对宇宙进行探求。
电磁学理论的核心——麦克斯韦多项式组，阐明了电场与磁场在空间和时间的互相转化，但是阐明了它所蕴涵的对称美，被称为人类最伟大的公式。关于这个公式，有一个这样的评价说宇宙间任何的电磁现象，皆可由此等式组解释，通过这一方程组可以估算出宇宙中一切光、电、磁现象的规律。更多的电磁奥秘等待着更多有抱负的年青人投入到我们无尽的探求和发觉中去。
在这儿遇到新数学，在这儿洞见新未来，我是中科院化学所副研究员刘恩克。这节课的讲解希望还能让朋友们对电磁学的发展背景有一个简单的了解物理电学之父，感谢你们！
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校对：小林完治