十分鐘了解「麥克斯韋方程組」,這是人類歷史上最偉大的公式

2020-12-05 寧哥說財經
電磁波譜

上帝說,要有光,於是便有了光。光的量子性可以解釋光的產生和吸收規律。

要談光的傳播規律,首先要明白光的本質是一種電磁波。光的傳播規律,也就是電磁波的傳播規律。人類真正理解電磁波,耗時漫長。

兩千多年前,人類發現摩擦後的琥珀能吸引微小物體、磁石能吸鐵。後來,甚至能用指南針進行各種航海活動,卻並不通曉這些「電磁現象」背後的本質。

直到1785年,庫侖創立了電荷之間相互作用力的數學關係式,這才有電學發展史上的第一個定量規律。

1820年,奧斯特發現電流能產生磁場。同年,安培計算出兩個電流之間的相互作用力,並給出電流產生磁場的數學表達式。

1831年,自學成才的天才實驗科學家法拉第,發現了電磁感應現象,並提出時變磁場產生時變電場的理論學說,由於他數學功底欠缺,未能將其成果表示成精確的定量理論。1845年,物理學家紐曼給出了法拉第電磁感應定律的數學表達式。

1873年,麥克斯韋提出「位移電流」的概念,建立了時變電場產生時變的磁場的理論學說。結合前輩們的成果,用數學方程嚴格地描述了電磁場應該遵循的規律,推導出電磁場的波動方程,並預言電磁波的存在,順便發現電磁波的傳播速度和光速的一致性。於是他推斷,光的本質是一種電磁擾動,由振蕩的電場和磁場組成。(後面附有簡要推導過程)

1887年,赫茲用振蕩電路證明了麥克斯韋預言的正確性。另外,這組方程式還直接催生了狹義相對論和光子晶體理論的誕生。

目前,人類已經邁入虛擬代替現實的階段,無線網際網路、衛星定位、無線通信、微波遙感等信息技術,其傳輸信息的媒介都是電磁波。我們在享受這些科技成果之餘,可以了解一下麥克斯韋。

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  • 麥克斯韋方程組:世上最偉大的公式沒有之一
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  • 麥克斯韋方程組:史上最偉大的公式,沒有之一,都了解一下
    英國科學期刊《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公 式裡,有著名的E=mc2、複雜的傅立葉變換、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」。
  • 最偉大最美的公式:麥克斯韋方程組,你了解多少?
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  • 最美的公式:你也能懂的麥克斯韋方程組
    2004年,英國的科學期刊《物理世界》舉辦了一個活動:讓讀者選出科學史上最偉大的公式。結果,麥克斯韋方程組力壓質能方程、歐拉公式、牛頓第二定律、勾股定理、薛丁格方程等」方程界「的巨擘,高居榜首。麥克斯韋方程組以一種近乎完美的方式統一了電和磁,並預言光就是一種電磁波,這是物理學家在統一之路上的巨大進步。很多人都知道麥克斯韋方程組,知道它極盡優美,並且描述了經典電磁學的一切。但是,真正能看懂這個方程組的人卻不多,因為它不像質能方程、勾股定理這樣簡單直觀,等式兩邊的含義一眼便知。
  • 麥克斯韋方程組150年:公式也可以很美
    麥克斯韋方程組與電磁波理論告訴我們,最革命性的發現往往不是因為你想要它出現才出現的。麥克斯韋解出麥克斯韋方程組,計算出光速正確數值約為3×10^8米每秒的那一刻,一定科學史上最激動人心的瞬間之一(這種靈光乍現的瞬間在英語裡被稱為the Eureka moment,緣起於阿基米德發現浮力定律時所說之話「Eureka!/我明白了!」雖然結果鼓舞人心,但直到25年後才有人通過實驗證明電磁波在物理上確實存在。
  • 最美的公式:你也能懂的麥克斯韋方程組(積分篇)
    2004年,英國的科學期刊《物理世界》舉辦了一個活動:讓讀者選出科學史上最偉大的公式。結果,麥克斯韋方程組力壓質能方程、歐拉公式、牛頓第二定律、勾股定理、薛丁格方程等」方程界「的巨擘,高居榜首。麥克斯韋方程組以一種近乎完美的方式統一了電和磁,並預言光就是一種電磁波,這是物理學家在統一之路上的巨大進步。很多人都知道麥克斯韋方程組,知道它極盡優美,並且描述了經典電磁學的一切。但是,真正能看懂這個方程組的人卻不多,因為它不像質能方程、勾股定理這樣簡單直觀,等式兩邊的含義一眼便知。
  • 【物理公式】世界上最偉大的10個公式,其中一個人盡皆知
    英國科學期刊《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公式既有無人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有簡單的圓周公式,又有複雜的歐拉公式……從什麼時候起我們開始厭惡數學?這些東西原本如此美麗,如此精妙。這個地球上有多少偉大的智慧曾耗盡一生,才最終寫下一個等號。每當你解不開方程的時候,不妨換一個角度想,暫且放下對理科的厭惡和對考試的痛恨。
  • 科學史上最偉大的3位科學家是誰?麥克斯韋衝出重圍,牛頓第幾?
    引言:人們總喜歡把著名的科學人物進行比較,而比較的依據則是他們在科學理論上的成就。如果要給人類歷史上湧現出來的眾多科學家排個名次,那麼最偉大的三位科學家是誰?麥克斯韋衝出重圍,牛頓第幾?人類科學史上湧現出許多卓越的科學家,他們之中有的是在物理方面有卓越的貢獻,有的則是在化學領域提出了偉大的發現,也有的是在生物領域揭開了生命現象的本質。但如果要給所有的科學家排個名次的話,相信至少前三位科學家都是從事物理學的。這並非筆者個人的看法,而是大多數人都是這麼認為的,因為物理學是人類對世界種種現象進行深入的研究,很多時候比生物化學研究還要深入。
  • 世上最偉大的十個公式
    英國科學期刊《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公式既有無人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有簡單的-圓周公式,又有複雜的歐拉公式……
  • 世界上最偉大的十個公式,一加一等於二才排第七!
    英國科學期刊《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10個公式既有無人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有簡單的圓周公式,又有複雜的歐拉公式……多少偉大的智慧曾耗盡一生,才最終寫下一個等號!
  • 世界上最偉大的10個公式 一定有您意想不到的!
    英國科學期刊《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公式既有無人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有簡單的圓周公式,又有複雜的歐拉公式……上學的時候,我們會對這些方程十分厭惡,但是我們沒有意識到,我們痛恨的東西,卻是人類最高智慧,我們只是沒有發現它們的偉大而已,有種「不識廬山真面目,只緣生在此山中
  • 世界上最偉大的10個公式,其中一個人盡皆知
    英國科學期刊《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公式既有無人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有簡單的圓周公式,又有複雜的歐拉公式…這個地球上有多少偉大的智慧曾耗盡一生,才最終寫下一個等號。每當你解不開方程的時候,不妨換一個角度想,暫且放下對理科的厭惡和對考試的痛恨。因為你正在見證的,是科學的美麗與人類的尊嚴。
  • 世界上最偉大的10個公式,其中一個人盡皆知
    英國科學期刊《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公式既有無人不知的1+1=2,又有著名的E=mc2;既有簡單的圓周公式,又有複雜的歐拉公式……從什麼時候起我們開始厭惡數學?這些東西原本如此美麗,如此精妙。
  • 【麥克斯韋方程組】優美的高斯定律!
    高斯定律也是麥克斯韋方程組第一方程。    麥克斯韋方程組是物理中非常著名的方程組,並且在各種公眾號和新媒體平臺所評比的「最美公式」中都佔有一席之地。麥克斯韋方程組更是預言了電磁波的存在,而電磁波(光)在真空中的波動方程也可以從中得出。
  • 麥克斯韋創立的電磁理論究竟講了什麼,簡單帶你了解一下
    1831年,這是一個人類歷史上都值得永遠銘記的時刻,法拉第在這一年發現了電磁感應理論,這個理論標誌著一場重大的工業和技術革命的到來,人類由蒸汽時代正在向電氣化時代邁進,歷史似乎早已冥冥之中註定,在這一年,另外一個正式帶領大家邁入電氣化時代的人降生了!他的名字叫做麥克斯韋。
  • 麥克斯韋,到底有多牛?(那令人崩潰的麥克斯韋方程組就出自其手)
    這些天才科學家取得的輝煌成就,奠定了現代學科的理論基礎,為20世紀人類科技的全面騰飛創造了條件。 以我們通信行業為例,目前我們最前沿的通信科技,不管是5G,還是Wi-Fi 6,都是基於電磁理論發展起來的技術。
  • 麥克斯韋電磁方程組,改變世界的十個公式
    原標題:麥克斯韋電磁方程組,改變世界的十個公式 點標題下方的藍字可關注湖南教育網官方微信! 1971年尼加拉瓜發行了十張一套題為「改變世界面貌的十個數學公式」郵票,由一些著名數學家選出十個對世界發展極有影響的公式來表彰。讓我們懷著一份對自然的讚美之情來欣賞這十個公式吧。
  • 最美的公式:你也能懂的麥克斯韋方程組(微分篇)
    在上一篇文章《最美的公式:你也能懂的麥克斯韋方程組(積分篇)》裡,長尾科技帶著大家從零開始一步一步認識了麥克斯韋方程組的積分形式,這篇文章我們就來看看它的微分形式。還有,很多人多多少少知道一些麥克斯韋方程組的樣子,雖然不是很懂,那個倒三角符號▽倒還是記得的,你這公式裡為什麼沒有▽符號呢?
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