麦克斯韦电磁场理论 人类历史上空前绝后的物理学大一统——麦克斯韦方程组

如果要选择人类文明以来最伟大的公式，麦克斯韦方程组可以说无疑是第一个。麦克斯韦方程组结合了高斯磁法、高斯定理、法拉第定律、安培定律，是人类历史上物理学的统一。评价为“一般来说，宇宙中的任何电磁现象都可以用这个方程组来解释。”！麦克斯韦方程组有几个公式可以解答，可以说是检验一个物理研究者是否合格的终极神器。

甚至像爱因斯坦这样的伟大科学家也在追随麦克斯韦的脚步，试图走得更远，试图找到一个统一的理论来解释所有的相互作用，进而解释宇宙中所有的物理现象。虽然他没有成功，但是建立统一理论的想法一直吸引着成千上万的物理学家……而这一切，就像我说的，都是从麦克斯韦方程推导出来的~

麦克斯韦方程组到底是什么样的？先说麦克斯韦。

剑桥大学三一学院，在物理大厅。很多在时代上有很大影响力的科学家都出生在这里，包括麦克斯韦。

麦克斯韦在三一学院期间，开始正式学习法拉第的《电学实验研究》。17世纪50年代，电学的研究主要进入了两个阶段。一个是韦伯基于牛顿传统“距离作用”概念的综合，一个是法拉第的力线理论。

可惜法拉第的数学水平不高，用直观的形式表达，而不是严谨的逻辑论证。所以，微博理论大行其道！

麦克斯韦在潜心研究了法拉第的新理论和电磁学思想后，坚信法拉第的新理论包含真理。于是他抱着为法拉第的理论提供数学方法基础的愿望，决心用清晰准确的数学形式表达法拉第的天才思想。

经过十多年的研究，麦克斯韦于1873年发表了著名的科学著作《电磁理论》。电磁场理论阐述系统、全面、完善。这个理论已经成为经典物理学的重要支柱之一。他还预言了电磁波的存在，正式敲开了现代无线通信的大门。

他建立的电、磁、光统一的电磁场理论，是19世纪物理学发展中最辉煌的成就，也是科学史上最伟大的综合之一。可以说，没有电磁学，就没有现代电工学，就没有现代文明。

为了将电磁场理论从介质扩展到空，麦克斯韦假设空之间存在一个动力以太，它具有一定的密度和能量与动量:它的动能反映了磁性的性质，它的势能反映了电的性质，它的动量是电磁学最基本的量，代表了电磁场的运动性质和传力特性。1865年，他提出了包含20个变量的20个方程，即著名的麦克斯韦方程。1873年他试图用四元数表示，但是失败了！

四元数

当时麦克斯韦的理论并没有得到认可，就像大家都把亚里士多德的著作当成圣书，18世纪的科学家也把牛顿当成神一样。

麦克斯韦为了推广他的电磁学理论，于1789年不幸去世，所以他去世时并没有完美地表达他构想的公式。

直到1884年，奥利弗·亥维赛和乔赛亚·吉布斯以向量分析的形式重新表达了麦克斯韦方程，我们现在看到的这个方程才出现！

奥利弗·亥维赛也是一个传奇。因为他患有猩红热，所以听不清楚，但他是自学的。他把麦克斯韦的贡献从四元数改为矢量，把原来的20个方程简化为4个微分方程。

吉布斯奠定了化学热力学的基础。他创立了矢量分析并将其引入数学物理，甚至将麦克斯韦方程组引入物理光学的研究。这两个人合理地构建了我们现在看到的麦克斯韦表达式！

麦克斯韦方程组精确地描述了电磁场的特性及其相互作用。就这样，他把混沌现象总结成了一个统一完整的理论。一个世纪以来，麦克斯韦方程在理论和应用科学中得到了广泛的应用。可以说，麦克斯韦方程组奠定了现代文明的基石。

麦克斯韦一般有积分形式和微分形式，其中H为磁场强度，D为电通量密度，E为电场强度，B为磁通量密度。j是电流密度，ρ是电荷密度。当使用其他单位时，方程中的某些项会有一个常数因子，比如光速c。

积分形式的麦克斯韦方程组是描述一定体积或面积内电磁场的数学模型。第一个公式是从安培环路定律延伸而来的全电流定律，第二个公式是法拉第电磁感应定律，第三个公式是磁通量连续性原理，最后一个公式是高斯定律的表达式。

麦克斯韦方程组的积分形式不仅描述了电场和磁场的性质，而且描述了改变磁场激发电场的规律，甚至描述了传导电流和改变电场激发磁场的规律。

它反映了电磁场(d，e，b，h)与场源(电荷q，电流I)在空之间某一区域的关系。在电磁场的实际应用中，往往需要在空之间逐点了解电磁场量、电荷和电流的关系。而微分形式是麦克斯韦方程组积分形式在数学形式上的转化！

也就是说，其实麦克斯韦的工作已经突破了经典物理和经典数学的框架，但由于当时的历史条件，人们仍然只能从牛顿经典数学和力学的框架去理解电磁场理论，这也是当时大家都没有理解麦克斯韦电磁理论的原因。

经过反复实验，赫兹发明了一种无线电波环，并用这种无线电波环做了一系列实验，终于在1888年，他发现了人们怀疑并等待已久的电磁波。

赫兹的实验发表后，在全世界科学界引起轰动。法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论获得了决定性的胜利。

赫兹实验装置

在物理学史上，牛顿的经典力学开启了机械时代的大门，而麦克斯韦的电磁学理论为电学时代走向现代文明奠定了基石。麦克斯韦电磁理论的核心是麦克斯韦方程。

随着物理学的不断发展，大家越来越意识到这个方程组的伟大。从这个方程组引申出来的“场”概念，使当时的许多物理学家摆脱了牛顿的“距离概念”，普遍接受了电磁作用和引力作用都是“闭合作用”的思想。爱因斯坦狭义相对论的建立是基于麦克斯韦电磁场理论(根据光速不变性和麦克斯韦方程在真理空)。

1879年，麦克斯韦去世，爱因斯坦诞生。这真是一个有趣的巧合。

它所揭示的电磁相互作用的完美统一，为物理学家确立了物质的各种相互作用应该在更高层次上统一的信念。

这就是为什么自从量子力学和相对论诞生100多年以来，无数科学家都想把它们整合起来。

这就是为什么大家都认为麦克斯韦方程组是世界上最完美的公式。