牛顿对力学的贡献（牛顿的数学成就） _对

文章插图

电磁学是经典物理学的一部分，提到电磁学就不得不提经典电动力学创始人-麦克斯韦。

麦克斯韦的名气好像并不如牛顿、爱因斯坦那样家喻户晓，毕竟当提到牛顿的时候，这个公式就如同条件反射似得浮现出来（受力分析就不说了）；当提到爱因斯坦的时候，相对论已经妇孺皆知。但是当我们提到麦克斯韦的时候，迎头痛击的却是

文章插图

可能这就是麦克斯韦名气不如牛顿的原因吧。毕竟麦克斯韦方程组中四个方程随便拿出一个来，就可以介绍一到两期。

电磁的统一之旅

早在春秋战国时期，就有“山上有慈石者，其下有铜金”的记载。可见人们对于磁现象的认识可以追溯至很早之前。而静电现象，在西汉时期才有记载。

1600年，英国伊丽莎白女王的御医吉尔伯特出版《磁石论》，对天然磁石和地磁等方面研究做出了重要的贡献。同时他也发现，许多物质，例如金刚石、蓝宝石、树脂、明矾等经摩擦后可以吸引微小物体，但这些性质并不像磁现象可以指南北，所以他将这一性质称为“电的（electric）”，并发明了第一个验电器。

为了让空气中的电被保存起来，1745年，荷兰莱顿的穆欣布洛克发明了电容器的原始形式-莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了有利的条件。几乎同一时间，富兰克林提出了电是存于所有物质里面的一种元素，可以通过摩擦转移。他认为摩擦获得电的物体为带正电，失去电的物体为带负电。正负电的术语一直沿用至今。

文章插图

18世纪后期，科学家们开始研究电荷相互作用的情况。1766年，普利斯特里猜测电之间相互作用与万有引力应该是类似的，即作用力大小和距离平方成反比，但是没有给出证明。

1773年，卡文迪许给出了电力和距离平方反比关系误差不超过2%的结果，证实了普利斯特里的猜测。1785年库伦设计了扭秤实验，直接测定了两个静止的电荷相互作用的平方反比关系和乘积正比关系。

虽然早在1750年，富兰克林就观察到了莱顿瓶放电可以磁化钢针，甚至更早以前人们发现闪电会影响指南针，但是到19世纪科学界还认为电和磁是两种不同的东西。

然而，丹麦的自然哲学家奥斯特对这种观点持截然相反的态度，受康德的影响，他坚信电与磁之间存在某种关系。最终他发现，电流通过导线会引起磁针偏转，发现了电流的磁效应。

奥斯特的电流磁效应打开了电磁研究的新大门。几乎在之后的同一时间，安培发现载流线圈的磁效应（就是中学老师经常问你：敢不敢伸手比划比划，让你知道什么叫右手（定则）），阿拉果研究了钢和铁在电流下磁化现象，毕奥和萨法尔研究了导线对磁极作用力的影响。这些成果进一步拉近了电和磁的关系。

文章插图

电流的磁效应最终应用于让电为人们的生产生活上，特别是在第二次工业革命期间，电力的使用极大提高了人们的生产力，也推动了电磁研究的发展。

1833年高斯和韦伯制造了第一台单线电报，1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机，通过莫尔斯的电码，可以在纸带上来传递信息。1876年，贝尔发明了电话，使得电磁效应传递人们的声音信息。

除了应用，利用电流的磁效应发明的检流计也极大促进了相关学科的发展。因为电流表的出现，为欧姆发现电流定律提供了条件。但是由于能量守恒的概念没有形成，人们对于电流热效应还是很迷惑。直到1848年基尔霍夫才从能量角度考察了电路，才弄清楚电势差、电动势、电场的概念。

既然我们知道了电流具有磁效应，那磁必然也就具有电的效应。著名的物理学家法拉第研究了电磁感应现象，确定了电磁感应的规律，即感应电动势取决于磁场随时间变化的规律。

但是法拉第的数学不好，真正的表达式是由诺埃曼给出的，而感应电流方向则是由楞次给出的。在此基础上，法拉第制造了第一台发电机和电动机。除此之外，他还建议用“电力线”和“磁力线”来描述空间电磁场的分布，并指出这些线都是物质的，电力和磁力是靠这些线来传递，并根据线的“产生”“汇聚”来研究“源” 。

电磁的面纱已经逐步被揭开，但是需要一个整合。这时候我们的主角麦克斯韦登场了。不过早先诺埃曼、韦伯等物理学家也想统一电磁现象，但他们从超距作用出发的观点使得他们并没有成功。

法拉第的“线”的思想启发了麦克斯韦。他试图类比电磁现象和力学现象，将电磁统一起来。他认为变化的磁场会激发涡旋电场。相反，变化的电场也会产生磁场，于是引入了“位移电流”的概念。这样电位移就会激发磁场。

于是，再结合前人的成果（高斯定理、安培环路定理以及毕奥-萨法尔定律等），麦克斯韦总结出了电磁学的终极公式-麦克斯韦方程组：

文章插图

如果简单理解这些公式，我们不妨把仅仅看成是在描述空间的方向，至于是怎么变化就不考虑了，那么第一个公式就说明，如果在给定的闭合曲面内，通过曲面的电场强度通量取决于闭合面内的电荷；第二个公式则是将第一个公式的电场换成了磁场，如果取一个闭合环路，通过该环路的电流强度与磁感应强度有关；第三个公式则说明了变化的磁场会产生电场；第四个公式说明了磁场由变化的电场和位移电流产生。通过麦克斯韦方程组，我们还可以算出光速。

这样，光和电磁波也就联系在了一起，也就是说，麦克斯韦将光、电、磁三者全部统一在一起了。

天妒英才

古人云：天将降大事于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤。

但是对于麦克斯韦而言这句话貌似不适用。麦克斯韦的人生可以说是非常平凡，没有惜字如金的狄拉克那样靠低调出名，也没有花花公子薛定谔那样风流倜傥。可以说为数不多的“正常的”科学家了。

但是是金子总会发光，16岁的他考入了爱丁堡大学，开始就过上了开挂的人生（同时也有着科学家专属发际线）。1850年他转入剑桥大学进行学习，毕业后留校任职。从1954年开始，麦克斯韦就着手于电磁学的研究，到1873年，他的巨著《论电和磁》出版。就在出版后的6年，1879年，麦克斯韦与世长辞。

麦克斯韦生前没有享受到他应得的荣誉，因为他的科学思想和科学方法的重要意义直到20世纪科学革命来临时才充分体现出来。

如果一下回顾麦克斯韦出生和逝世年月，我们会发现两个惊人的巧合——麦克斯韦出生的那一年，法拉第发现了电磁感应；麦克斯韦去世的那一年，爱因斯坦出生。

文章插图

结语

任何一门学科都有其独特的发展史，都是人类长期活动和理论思维的产物。在回顾学科发展历史和对学科发展有重要贡献的科学家的过程中，除了了解科学家本人的思考方式和思维方法，更重要的是明白人们如何在荒芜的原野上建立起庄严的科学大厦的。

其实关于物理的考试大家最好拜一下麦克斯韦，因为他的名字James Clerk Maxwell，Max well，好到极致。在这里借用这位物理学巨匠之名，祝大家新的一年好运连连（其实我更希望桃花运），Max Well 。

文章插图

【牛顿对力学的贡献（牛顿的数学成就）】作者简介：不愿意透露姓名的梁天宇同学，目前为华中师范大学粒子物理与原子核物理专业硕士研究生，研究方向是寻找无中微子双贝塔衰变。学业不精，术业不成，干啥啥不行，尽自己所能做一些相关科普工作以彰其用，不足之处还望指正。