上帝亲手写下的诗歌——麦克斯韦方程组（上）

作者：胡桃夹子工作室

审稿专家：周晓亮（北京交通大学物理学实验室高级工程师）

2004 年，英国科学期刊《物理世界》发起一次投票，评选“世界上最伟大的公式”。投票结果让人大跌眼睛，排名第一的不是“撬动地球”的杠杆公式，也不是“苹果落地”的万有引力公式，而是一个普通人不那么熟悉的公式——麦克斯韦方程组。
大约 150 年前，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦找到了联系电与磁的方法，并发表了一组方程描述电与磁的关系，这组方程被后人称为“麦克斯韦方程组”。这看起来有些科幻：电是发电厂发的，磁是磁铁带的，二者能有什么联系？
实际上，电与磁不仅有联系，而且联系非常紧密，电磁现象也与我们生活息息相关。电能生磁，磁也能发电；电磁之间相互感应，产生的电磁波。我们今天打开电视能看综艺节目，掏出手机能打电话、发短信，无线网络也成为我们生活中必不可少的一部分——实际上，这些都是电磁波的功劳。发现电磁波的，正是这位麦克斯韦先生。
这麦克斯韦到底是谁呢？以他名字命名的方程组又有什么特殊的？他又是怎样发现电磁波的？这一切都要从电与磁的关系说起。

# 电与磁的恩怨纠葛
人们很早就发现了电和磁的存在。公元前 6 世纪，古希腊哲学家泰勒斯发现摩擦过的琥珀吸引羽毛等轻小物体，这是“摩擦生电”现象最早的记录。
两千多年后，英国医生威廉·吉尔伯特深入研究“摩擦生电”现象后，发现玻璃、钻石等都可以在摩擦后吸引小物体。他认为摩擦后的琥珀会携带电荷，并发明了“电”这个词，用来描述琥珀摩擦后具有的吸引力。后来，美国科学家本杰明·富兰克林等人，又对电荷进行深入研究，发现世上只存在两种电荷。他把丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷称为“正电荷”，把皮毛摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷称为“负电荷”。同种电荷之间相互排斥，异种电荷之间相互吸引。
古人对磁铁也进行了深入研究。早在春秋战国时期，我国就有磁铁应用的记载；公元 1 世纪，东汉学者王充在《论衡》一书中记录的“司南”，是人们公认的最早的利用磁性确定方位的工具。北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》里详细描述了指南针的制作和使用方法。1269 年，法国学者皮埃·德马利克写成《磁石书》。这本书详细记录了磁铁两极相互吸引和排斥的规律，这是世界上现存第一本描述磁石性质的专著。
到目前为止，电现象和磁现象还是两条“平行线”，人们并没有发现它们之间有任何联系。即使让我们本章的主角麦克斯韦出场，也无法总结出科学史上赫赫有名的麦克斯韦方程组。
实际上，整个麦克斯韦方程组就像一张巨大的拼图。在麦克斯韦之前，科学家们把一块块小拼图都找了出来，放在桌子上。麦克斯韦发现了这这些小拼图之间的内在联系，把它们拼了起来，获得了完整的拼图。

# 麦克斯韦和他的四块拼图
1785 年，法国物理学家夏尔·库仑得出了计算真空中两个静止点电荷之间作用力大小的公式，后人称之为库仑定律。这是麦克斯韦的第一块拼图。
第二块拼图是伏打电堆。17、18 世纪，科学家们刚开始研究电学时，只能用静电发电机产生很弱且不稳定的电流。“巧妇难为无米之炊”，没有能够提供稳定电流的装置，很多电学实验无法进行。1800 年，意大利物理学亚历山大·伏打发明了“伏打电堆”，这是世界上第一块化学电池。此后，科学家可以使用稳定的电流进行实验，电学研究进入飞速发展阶段。
伏打发明电池后 20 年，第三块拼图出现了。这是最重要的一块拼图，也是最让人意外的一块。
人们很早就发现电现象和磁现象有许多相似之处，但直到 19 世纪初，库伦、安培、托马斯·杨等鼎鼎大名的物理学家，都认为电和磁是互不相关的两码事。
1820 年 4 月，丹麦物理学教授汉斯·奥斯特，在给自己的学生演示电流实验时意外发现放在通电导线旁白的小磁针发生了旋转，后来，他对这一现象进行深入研究。3 个月后，他发表论文，宣布发现了电流的磁效应，首次揭示了电与磁的联系。
奥斯特的发现震惊了整个科学界，许多科学家大脑中出现了这样一个问题：电流能引起小磁针的运动，那磁铁能不能让导线中产生电流呢？
1831 年 8 月 29 日，英国科学家迈克尔·法拉第经历数次失败后，终于成功发现了深藏不漏的磁生电现象，也就是大名鼎鼎的法拉第电磁感应定律。这是麦克斯韦的第四块拼图。至此，全部拼图都出现在了物理学的圆桌上，静静地等待着人们将它们拼接起来。麦克斯韦拼接它们的故事，我们留待下篇继续说。

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