在这里遇见新物理，在这里洞见新未来，我是中科院物理所副研究员刘恩克。朋友们大家好，今天我给大家带来的是电磁波方面的有关知识，这一讲的题目是：电与磁的携手与出击。

19世纪的早期是人类自然科学史上一个激动人心的时期，而与此同时，也是人们对电和磁的本源以及它们之间的相互关系感到非常困惑的一个时期。在1785年，库仑发现了库仑定律：静电力与电荷量成正比而与距离的平方成反比，同时发现磁极之间也具有相同的规律，这与万有引力公式非常类似。那个时候人们认为电和磁之间没有什么关系，当时物理中的能量、热、电、光、磁都可以描述成像万有引力那样的超距作用。牛顿力学的霸主地位统治着整个欧洲，而大概在1800年前后，伏打发明了伏打电池以及伏打电堆，这为后来的电磁研究提供了稳恒电流。

汉斯·克里斯汀·奥斯特 

丹麦物理学家、化学家

如果要在电磁学的发展史上找出第一人的话，那么此人当属丹麦物理学家、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，他创立了丹麦科技大学，发现了铝元素，他也是安徒生的好朋友。1801年，24岁的奥斯特游历德国，认识了德国物理学家约翰·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中。

在1820年的4月，也就是整整200年前的春天，奥斯特在给学生做课堂演示实验快要结束的时候，发现线路旁边罗盘的指针摆动了一下。据说奥斯特看到这个现象的时候非常激动，在课堂上还摔了一跤，这是他首次发现电磁效应，此后他又做了60多次实验，最终确定了这个现象。在奥斯特发现的电磁现象当中，他发现电流对磁的影响不仅存在于电流的周围，还存在于垂直导线的方向，而且电流与磁针的这种作用可以通过各种介质，也就是说它不受介质的影响，等等这些现象。在通电导线的周围，他意识到确实存在着一个磁场。

奥斯特在给学生做课堂演示

在1820年的7月份他发表了《论磁针的电流冲击作用》，正式向世界宣告了电磁现象。这在19世纪早期的欧洲引起了巨大的反响，促使当时的很多年轻人竞相投入到这个研究当中。后来安德烈·安培曾写道，奥斯特先生已经永远地把他的名字和一个新纪元联系在一起了。

电学中的牛顿：安培

安德烈·玛丽·安培

法国物理学家、化学家和数学家

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，从小才智出众，具有非常好的数学天赋，对历史、诗歌、哲学以及自然科学都有很多的研究。他经常专心致志地思考科学问题，大概在26岁的时候，他就成为了物理学和数学教授。

安培他受库仑的影响，一直信奉电和磁之间没有任何关系，这样的认知，在1820年9月的时候得知奥斯特发现了电磁现象后，受到了极大的震动。他决定开始研究电磁现象，虽然此时安培他才45岁，但是生命留给他的时间已经不多了，此时距离安培去世还有16年。安培不愧为安培，他立即集中全部精力研究，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流与电流之间的电磁作用，并提出了我们所熟知的安培定则，也就是右手螺旋定则，在两个月后便提交了研究论文。

右手螺旋定则

通过安培定则，可以对线性导线、螺线管以及各种形式的载流线圈的电流和磁场的方向进行判定。在电流与电流相互作用的研究当中，他发现当两个电流方向相同的时候会相互吸引。在磁场当中，载流导线会受到安培力，安培力的具体表现后来被俄国物理学家楞次总结，得到左手定则，确定安培力的方向垂直于电流和磁场方向它们所决定的平面。在1826年的时候，安培进一步通过数学的推导提出了安培环路定理，这个定理后来成为麦克斯韦方程组之一。同年，安培他发表了电磁学史上一部经典的论著——《电磁现象的数学原理》。

左手定则

安培在安培定则中揭示了电磁现象的内在联系，将电磁学研究真正的数学化，并成为物理学中一大理论体系电动力学的一个重要基础。麦克斯韦后来认为安培的成果是人类科学史上最辉煌的成就之一，而且他称安培为电学中的牛顿。

电磁学之父：法拉第

迈克尔·法拉第

英国物理学家、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年诞生在一个贫苦的铁匠家庭，只上过两年的小学，做过报童和学徒，但是他期间阅读了大量的书籍，包括大英百科全书，尤其被其中的电学部分深深地吸引。法拉第勤奋好学，而且踏实努力，动手能力非常强。

在1820年前后，法拉第一直都在做化学研究，包括冶金化学和有机化学。直到1821年，他偶然地了解到奥斯特的电磁现象，并对此产生了浓厚的兴趣。他觉得如果固定磁铁，线圈它也是可能会动的，于是他就制作了一个非常简单的装置，只要有电流通过，他发现线圈会绕着马蹄形的磁铁不停地转动，这就是现代电动机的始祖，法拉第的第一项重大发明。

此后像其他当时的物理学家一样，法拉第做了一系列的实验探索，试图实现磁感生电，但是一直没有成功。一直到1831年的8月，法拉第发现如果把两个线圈放在一起，通电线圈电流接通或断开的瞬间，另外一个线圈里面电流计的指针会发生突然的跳动，他意识到这是一个瞬态效应，只有变化的磁才可能会产生电。历时10年的曲折，法拉第终于发现了这个极其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通量的变化率。

法拉第使用的感应线圈 (1831)

与此同时，法拉第并没有停下来脚步，在两个月以后他就发明了一个装置，称之为圆盘发电机，这是人类历史上创造出的第一个发电机，它是交流发电机的始祖，这是法拉第的第二个重大发明。这开通了除电池以外产生电流的一个新道路，使得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律发表在了《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，后来由楞次进行了数学化，并成为了麦克斯韦方程组中的另一个重要方程。1837年，法拉第进一步地引入了电场和磁场的概念，他指出电和磁的周围有场的存在，场的表现形式是力线在空间中穿行。法拉第把电力线和磁力线作为场的概念引入了经典物理学，这些概念直接打破了牛顿力学中关于超距作用的传统概念，当时也遭到了很多的质疑和反对。

磁场和电场

法拉第一生做了很多的研究，他发现了法拉第磁光效应，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律等等。1867年的8月25日，迈克尔·法拉第在他书房的椅子上安详地离世，一代科学巨匠在给人类带来了无价的宝藏之后 ，与世长辞。法拉第的贡献，惠及我们的每一个人，他把人类文明推向了新的高度，极大地促进了人类文明的发展进程。非常遗憾的是，直到法拉第先生去世，法拉第电磁感应定律，尤其是电磁力场的概念也没有得到足够的认可。幸运的是，就在法拉第发现电磁感应的那一年，一个在电磁学史上，极其重要的人诞生了，此人正是麦克斯韦。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

英国物理学家、数学家

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦生于1831年，他出身贵族，14岁的时候就发表了几何学的论文。在1854年，麦克斯韦博士毕业，他阅读了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中这种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种思想的重大意义，同时他也注意到法拉第在表述上面的不足，于是他就产生了一个非常迫切的想法，希望能够利用自己所掌握的数学方法把法拉第的发现给推导出来。

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》，它把电流周围存在的力场的特征用流体力学里面流线的这种模型概括为一个特殊的数学方程，也就是三维矢量微分方程，成功地推导出了法拉第的实验结论。法拉第看到麦克斯韦的这篇文章之后喜出望外，他的实验观测可以用数学的方法描述，同时他也告诫麦克斯韦，希望麦克斯韦不仅仅要停留在数学的推导上面，还要进一步地突破他原来的实验观察。

在1862年，麦克斯韦发表了他的第二篇电磁学论文《论物理力线》。这一次他不再是简单地把法拉第的实验观测进行数学的推导，而是认为在涡旋电场当中存在着电流，他首创地称之为位移电流，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愿望，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《自然哲学的数学原理》之后又一部重要的物理学经典。在麦克斯韦的工作当中，他给出了一个麦克斯韦方程组，后来经过其它的物理学家进行简化，得到了一个拥有四个方程的方程组，其中它是两个关于电场的方程，两个是关于磁场的方程。它们反映了电场是一个有源场，而磁场是一个无源场，同时又进一步地指出电和磁并非孤立存在的。根据法拉第电磁感应定律，变化的磁场可以激发涡旋电场，又根据全电流安培环路定理，变化的电场可以激发涡旋的磁场。二者之间环环相扣，相互激发，组成了一个统一的电磁场，这周期的循环，正是电磁波的这种自发传播，且其传播的速度等于光速。这就是麦克斯韦方程组的基本概念，也是电磁学理论的核心思想。

麦克斯韦方程组是19世纪物理学发展史上最光辉的成就之一，它构筑了人类现代文明的基石。在1879年，年仅48岁的麦克斯韦因病医治无效而溘然长逝。麦克斯韦去世后，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索的洪流之中，一度形成了麦克斯韦学派。在1888年，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在。1901年，意大利无线电工程师马可尼跑到加拿大拉着风筝天线，接收到了来自大西洋彼岸的无线电报，因为这个拉风的人，人类从此进入了无线通信时代，至此麦克斯韦方程组取得了决定性的胜利。历史总是有太多的巧合，就在麦克斯韦不幸去世的那一年，下一个辉煌时代的开创者在德国诞生了，此人正是爱因斯坦。

从花开两朵，到结作双葩合一枝

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、安培发现电流的磁效应，再经过法拉第的奠基，直到最后麦克斯韦电磁理论的建立，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，第一位出场的历史人物奥斯特，他一直坚信自然力统一这一康德哲学，坚信电和磁之间是有关联的，他一心执着、一腔热血，终于于1820年发现了电磁现象。

在此之前，安培他一直主要从事数学的研究，他并不相信电和磁之间有相互作用，当知道奥斯特的电磁感应现象以后，他用独特透彻的数学方法将其实验现象进行了科学深化，用自己生命 1/10 的时间将奥斯特的实验现象给科学化，并成为电动力学的先驱，我们可以称安培一份接纳、一身才华。

法拉第的电磁感应、电动机、发电机、场和力线这些概念，不仅孕育了麦克斯韦电磁学理论，也为人类的电气时代铺平了道路，我们可以称法拉第是一生求学、一手技艺、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厦，实现了电、磁、光的大统一，成为了电磁学理论的集大成者。此外，麦克斯韦还研究了土星环，热力学里面的麦克斯韦妖以及统计物理中的麦克斯韦分布，我们可以称麦克斯韦为一生探索、一代天骄。

在电磁学理论发展的过程当中，我们可以看到奥斯特和安培发现了电生磁，而法拉第发现了磁生电，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到，安培和麦克斯韦在13、14岁的时候就发表了数学论文，而法拉第在13岁的时候还是订书店里面的一名学徒，法拉第是一名出色的实验物理学家，但是他的数学能力非常有限。我们从这4个人对电磁学的发展历史的贡献上也可以看出来数学在其中扮演着非常重要的角色。

任何一门学科只有当能用数学来进行严格描述的时候，才能真正地被称之为科学。但是法拉第懂得用简洁、直观的语言来表达在科学上面的想法，麦克斯韦他能够利用自己博学的知识和非凡的想象能力来进行数学理论的描述，最后经过四位重要人物的不懈努力，人类步入了电磁时代。

电与磁的出击

以麦克斯韦方程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利用的风力发电机、水力发电机以及电磁起重、电磁阀、电磁选矿等等都是基于法拉第感应定律。

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，它利用线圈中的交流电流在金属块体内产生涡旋电流，从而产生焦耳热把金属熔化。另一个重要的应用电磁炮是利用磁力推动作用，将炮弹高速发射出去，它利用的原理是线圈与线圈的相互作用，也就是安培定律。

电磁感应定律的应用在生活当中也是随处可见，比如卫星导航系统、北斗导航以及基于北斗导航的农业机械化作业，包括现在和未来要建立的智慧城市、智能公路等等。现在世界各国也在进行着探月以及火星探测这样的航天活动。尤其是中国的探月工程，以及今年即将要发射的火星探测器在去年的探月工程当中，我们还利用了在月球上方的鹊桥中继卫星，包括对这些信息信号的传递。

我们也采用了位于地球表面不同洋面上的远洋测量船来对探测器以及卫星进行信息指令的发送、信息的传递等等，这都是利用了无线电波的长距离、高速度的传输效应。

就在去年的时候，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现，在通过对宇宙射电波的分析，发现了在4000光年以外存在着一个毫秒级周期的脉冲星，这也是人们利用穿行在宇宙当中的射电波来进行天文观测。

在1977年，美国发射了旅行者1号深空探测器，在它距离地球60亿公里的地方回身对地球进行了一个拍摄，将地球的照片，也就是一个黯淡的蓝点通过电磁波传回给了地球，现在旅行者1号已经走到了太阳系的外围，距离地球大概有200亿公里的地方，也正是人们掌握了无线电发射和接收的先进技术，才使得我们能够走得更远，看得更远，对宇宙进行探索。

电磁学理论的核心——麦克斯韦方程组，揭示了电场与磁场在空间和时间的相互转化，并且揭示了它所蕴含的对称美，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，皆可由此方程组解释，通过这一方程组可以计算出宇宙中一切光、电、磁现象的规律。更多的电磁奥秘等待着更多有志向的年轻人投入到我们无尽的探索和发现中去。

在这里遇见新物理，在这里洞见新未来，我是中科院物理所副研究员刘恩克。这节课的讲解希望能够让同学们对电磁学的发展背景有一个简单的了解，谢谢大家！