人類在高等文明面前,唯一能拿出手的數學公式,被稱為宇宙的真理

2020-05-14 good理科生

數學歷來是大家最為重視的一個門科,有人將它譽為開啟宇宙的文明的鑰匙,這個說法一點也不誇張,從古至今,人類的文明從來都是與數學息息相關。甚至一個種族文明的排序,就取決於數學程序的高低。

人類在高等文明面前,唯一能拿出手的數學公式,被稱為宇宙的真理

「麥克斯韋方程組」又叫上帝公式,它是人類的數學領域取得的成績最耀眼的一次勝利,透過它可以提示宇宙中的任何一個事物,都是離開最基礎的數學邏輯,而人類只要掌握了這些邏輯,便能清楚地了解宇宙運轉的相關知識。

積分形式

麥克斯韋方程組的積分形式:(in matter)

這是1873年前後,麥克斯韋提出的表述電磁場普遍規律的四個方程。

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麥克斯韋方程組

麥克斯韋方程組其中:(1)描述了電場的性質。在一般情況下,電場可以是庫侖電場也可以是變化磁場激發的感應電場,而感應電場是渦旋場,它的電位移線是閉合的,對封閉曲面的通量無貢獻。

(2)描述了磁場的性質。磁場可以由傳導電流激發,也可以由變化電場的位移電流所激發,它們的磁場都是渦旋場,磁感應線都是閉合線,對封閉曲面的通量無貢獻。

(3)描述了變化的磁場激發電場的規律。

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麥克斯韋方程組

(4)描述了變化的電場激發磁場的規律。

變化場與穩恆場的關係:

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公式時,方程組就還原為靜電場和穩恆磁場的方程:(in matter)在沒有場源的自由空間,

即q=0, I=0,方程組就成為如下形式:(in matter)

麥克斯韋方程組的積分形式反映了空間某區域的電磁場量(D、E、B、H)和場源(電荷q、電流I)之間的關係。

微分形式

麥克斯韋方程組微分形式:在電磁場的實際應用中,經常要知道空間逐點的電磁場量和電荷、電流之間的關係。從數學形式上,就是將麥克斯韋方程組的積分形式化為微分形式。利用矢量分析方法,可得:

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麥克斯韋方程組微分形式(高斯單位制)

麥克斯韋方程組(in matter)

注意:(1)在不同的慣性參照系中,麥克斯韋方程有同樣的形式。

(2) 應用麥克斯韋方程組解決實際問題,還要考慮介質對電磁場的影響。例如在各向同性介質中,電磁場量與介質特性量有下列關係:

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麥克斯韋方程組在非均勻介質中,還要考慮電磁場量在界面上的邊值關係。在利用t=0時場量的初值條件,原則上可以求出任一時刻空間任一點的電磁場,即E(x,y,z,t)和B(x,y,z,t)。

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科學意義

(一)經典場論是19世紀後期麥克斯韋在總結電磁學三大實驗定律並把它與力學模型進行類比的基礎上創立起來的。但麥克斯韋的主要功績恰恰是他能夠跳出經典力學框架的束縛:在物理上以&34;而不是以&34;作為基本的研究對象,在數學上引入了有別於經典數學的矢量偏微分運算符。這兩條是發現電磁波方程的基礎。這就是說,實際上麥克斯韋的工作已經衝破經典物理學和經典數學的框架,只是由於當時的歷史條件,人們仍然只能從牛頓的經典數學和力學的框架去理解電磁場理論。

現代數學,Hilbert空間中的數學分析是在19世紀與20世紀之交的時候才出現的。而量子力學的物質波的概念則在更晚的時候才被發現,特別是對於現代數學與量子物理學之間的不可分割的數理邏輯聯繫至今也還沒有完全被人們所理解和接受。從麥克斯韋建立電磁場理論到現在,人們一直以歐氏空間中的經典數學作為求解麥克斯韋方程組的基本方法。

(二) 我們從麥克斯韋方程組的產生,形式,內容和它的歷史過程中可以看到:第一,物理對象是在更深的層次上發展成為新的公理表達方式而被人類所掌握,所以科學的進步不會是在既定的前提下演進的,一種新的具有認識意義的公理體系的建立才是科學理論進步的標誌。第二,物理對象與對它的表達方式雖然是不同的東西,但如果不依靠合適的表達方法就無法認識到這個對 象的&34;。由此,第三,我們正在建立的理論將決定到我們在何種層次的意義上使我們的對象成為物理事實,,這正是現代最前沿的物理學所給我們帶來的困惑。

(三) 麥克斯韋方程組揭示了電場與磁場相互轉化中產生的對稱性優美,這種優美以現代數學形式得到充分的表達。但是,我們一方面應當承認,恰當的數學形式才能充分展示經驗方法中看不到的整體性(電磁對稱性),但另一方面,我們也不應當忘記,這種對稱性的優美是以數學形式反映出來的電磁場的統一本質。因此我們應當認識到應在數學的表達方式中&34;或&34; 了這種對稱性,而不是從物理數學公式中直接推演出這種本質。

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麥克斯韋方程組的命名是以它的發現人麥克斯韋命名的。當年年僅19歲的麥克斯韋是劍橋大學的一名學生,雖然電磁學在當時並不是受眾的學習科目,但是他還是決定,把電磁學當成自己研究的方向。這個決定對全人類而言,是一個革命性的改變。
有著「電磁學之父」稱謂的法拉第是麥克斯韋領頭人,麥克斯韋在看完法拉第的《電學實驗研究》後,對其中不完美的部分,進行了長時間的科研,最終誕生了麥克斯韋方程組。
電磁學的出現,對人類產生了巨大的影響,因此英國皇家學院也把克斯韋稱為與牛頓、愛因斯坦同樣偉大的物理學家。現在人類通訊不可或缺的電磁波,當時也是克斯韋在沒有任何實驗條件下發現的。
麥克斯韋方程組最讓人驚嘆的地方就是,只要能過它的公式,就能計算出宇宙中一切光電現象的規律,換句話說,麥克斯韋方程組不僅對電磁學進行總結,同樣對光學的歸納也堪稱完美。
偉大的愛因斯坦曾一度致力於找到一個,可以統一量子學與宏觀力學的統一公式,而他這個想法正是受到了麥克斯韋方程組的影響。但很可惜,最後愛因斯坦也沒能實現這個偉大的夢想。

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如果外星文明聯繫人類 地球科技承受得住嗎?


假使有一天,地球很與外界文明相匯,那麼麥克斯韋方程組將會是唯一的交流工具。儘管人類文明在不斷探索發現,但迄今為止麥克斯韋方程組仍是人類文明最大的驕傲,無人能超越。

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