电磁学——迈向电磁理论的统一

引力作用和电磁作用的统一理论内容提要本文回顾了引力作用理论和电磁作用理论发展的历史，简要叙述了正统理论基本相互作用理论。

指出了经典物理学和近代物理学的正统理论关于引力作用和电磁作用认识的盲区和误区。

揭示了质量和电荷，角动量与磁矩的内在联系。

探讨了引力作用和电磁作用机制。

确立了引力作用与电磁作用是自然界基本相互作用。

李鑫2012年3月12日目录1 引力作用理论和电磁作用理论历史的回顾2 近代物理学统一相互作用理论存在的困难3 关于引力作用和电磁作用认识的盲区和误区3.1 经典物理学引力作用和电磁作用认识的盲区和误区3.2近代物理学的正统理论关于引力作用和电磁作用认识的误区。

4 引力作用和电磁作用内在联系4.1质量与电荷的传统和正统正概念4.2. 质量和和电荷内在联系4. 2.1微观粒子的质量和电荷内在联系4.2.2天体的质量和电荷内在联系4.3 角动量和磁矩内在联系4.3.1 微观粒子角动量和磁矩内在联系4.3.2天体角动量和磁矩内在联系5. 引力作用机制5.1. 引力场理论5.2 微观引力场5.2.1 de Broglie假设5.2.2 微观引力场的基本相互作用5.3 天体引力场5.3.1 天体引力场现状5.3.2 天体自聚能与天体内部微观结构6 电磁作用机制6.1 电磁场理论6.2 微观电磁场6.3 天体电磁场1 引力作用理论和电磁作用理论历史的回顾16世纪丹麦天文学家B. Tycho对行星绕日运行作了长期的观测，记录了大量准确可靠的天文数据资料，他死后20年，由德国天文学家J. Kepler整理分析这些资料，在1609一1619年，先后公布行星运动三定律。

英国著名的物理学家I.Newton，英国科学家S.Hook 和荷兰物理学家C.Huygens都曾根据开普勒定律推测行星和太阳间存在和距离二次方成反比的引力，为此Hook和Newton还通过信，因此，对定律的首创权有过争议。

Newton还曾对晚年的忘年交斯多克雷说过，1666年他在家乡避瘟疫时，曾因见苹果从树上落地而想到地球对苹果的引力是否可延伸到月球。

麦克斯韦电磁理论
麦克斯韦电磁理论是电磁学的重要理论基础，由苏格兰物
理学家詹姆斯·麦克斯韦在19世纪提出。

这个理论结合了电学和磁学的观点，描述了电磁场的性质和它们与电荷和电
流的相互作用。

麦克斯韦电磁理论的主要内容包括：
1. 麦克斯韦方程组：这是描述电磁场中电荷和电流行为的
一组方程。

它包括四个方程，分别是麦克斯韦的电场定律、麦克斯韦的磁场定律、法拉第电磁感应定律和安培环路定律。

2. 电磁波：麦克斯韦的方程组预言了电磁波的存在，即电
磁场以波的形式传播，这一点后来由赫兹的实验证实。

电
磁波是光和其他电磁辐射的基础，它们在真空中以光速传播。

3. 基于麦克斯韦电磁理论的光学：麦克斯韦电磁理论揭示
了光是电磁波的性质，并成功地解释了光的干涉、衍射、
偏振等现象，为现代光学的发展奠定了基础。

麦克斯韦电磁理论的提出对电磁学的发展产生了深远影响，并成为物理学的基本理论之一。

它不仅成功地统一了电学
和磁学，而且为后来的相对论和量子力学的建立打下了基础。

【科学】⾃然科学史（38）麦克斯韦与电磁学理论麦克斯韦与电磁学理论到1850年前后，电磁学的实验研究发展迅速，已经确⽴了库仑定律、⾼斯定律、安培定律、法拉第定律，提出了场和⼒线的概念，打破了电与磁是孤⽴现象的传统观念。

但到⽬前为⽌，电磁学实验和理论研究成果丰富却不全⾯，尚未建⽴起电学和磁学相统⼀的理论体系，迫切需要在更加普遍的观点下加以概括和总结。

⽽承担这⼀历史重任的⼈就是麦克斯韦。

2.1 麦克斯韦构建电磁学体系麦克斯韦于1831年6⽉13⽇出⽣在苏格兰爱丁堡的⼀个律师之家，从⼩便显露出数学天才，15岁时就在爱丁堡皇家学会刊物上发表了⼀篇数学论⽂。

1847年中学毕业后进⼊爱丁堡⼤学学习数学、物理学和哲学。

1850年转⼊剑桥⼤学三⼀学院，主攻数学和物理学。

1854年以优异成绩毕业，并留校任教。

麦克斯韦受到开尔⽂电学研究的启发，认真研究了法拉第的著作《电学实验研究》，领悟到了法拉第⼒线思想的价值，也看出其定性表述的不⾜。

1855年，他发表了第⼀篇电磁学论⽂《论法拉第的⼒线》。

在这篇论⽂中，使法拉第的⼒线概念获得了精确的数学形式，并且由此导出了库仑定律和⾼斯定律。

这篇⽂章还只是限于把法拉第的思想翻译成数学语⾔，还没有获得新的结论。

法拉第读过这篇论⽂后，⼤为赞赏，⿎励他进⼀步探究数学解释背后的本质。

1862年他发表了第⼆篇论⽂《论物理⼒线》，进⼀步发展了法拉第的思想，其中具有决定意义的⼀步，是引进了“位移电流”的概念，这是电磁学史上继法拉第揭⽰电磁感应的⼜⼀重⼤突破。

⽂中给出了著名的麦克斯韦电磁场⽅程组，从⽽引申出更为深刻的结论：磁场变化产⽣电场，电场变化产⽣磁场，由此预⾔了电磁波的存在，并证明了这种波的速度等于光速，揭⽰了光的电磁本质。

电磁现象的规律终于被他⽤不可动摇的数学形式揭⽰出来，电磁学到这时才开始成为⼀种科学的理论。

这⼀年，麦克斯韦才31岁，取得了他⼀⽣中最辉煌的成就。

1864年他的第三篇论⽂《电磁场的动⼒学理论》，从⼏个基本实验事实出发，运⽤场论的观点，以数学演绎⽅法进⼀步完善了麦克斯韦⽅程组，建⽴了完整系统的电磁理论。

电磁学发展历程电磁学是研究电场和磁场现象以及它们相互作用的物理学科，其发展历程可以追溯到古代。

以下是电磁学发展的重要里程碑。

古代希腊时期，一些学者发现当琥珀摩擦后能够吸引轻物体。

这一现象被认为是电磁学的起源，被称为静电现象。

16世纪末，英国物理学家吉尔伯特首次系统地研究了磁铁性质，并引入了“电”这个词。

他还发现了地球本身具有磁性，这为后来的航海提供了重要的帮助。

18世纪，法国物理学家居里发现了电流通过一条导线时，会在导线周围产生一个环状的磁场。

这一发现打开了电磁学的新篇章。

19世纪初，丹麦物理学家奥斯特和法国物理学家安培独立发现了法拉第电磁感应现象。

他们发现当一个导体在磁场中移动时，会在导体两端产生电流。

这一现象被称为电磁感应，成为后来电动机和发电机的基础。

1831年，法拉第进一步研究了电磁感应现象，并提出了著名的法拉第电磁感应定律。

根据该定律，导体中的感应电动势与磁场的变化率成正比。

1833年，英国物理学家Фарадей发现在导体中的感应电流产生磁场。

他提出了法拉第电磁旋涡理论，认为磁场线是由电流形成的闭合回路。

19世纪中叶，英国物理学家麦克斯韦提出了电磁场理论，将电场和磁场统一起来。

他发现电磁波是一种通过空间传播的电磁辐射。

这一理论奠定了电磁学的基础，并对后来的无线电通信产生了重大影响。

20世纪初，德国物理学家浦里和卢瑟福发现了电子，并提出了电子运动的动力学方程。

这为电子在电场和磁场中的行为提供了理论基础，对电磁学的发展起到了重要作用。

20世纪后半叶，人们进一步研究电磁场的量子性质，发展了量子电动力学。

这一理论成功解释了电磁相互作用的微观机制，并为现代粒子物理学做出了重要贡献。

近年来，电磁学的应用也得到了广泛发展。

无线电通信、雷达、卫星导航和医疗成像等技术都是基于电磁学原理的。

此外，磁共振成像技术的发展也为医学诊断提供了重要工具。

总的来说，电磁学的发展经历了数百年的演变，从古代的静电现象到现代的量子电动力学，电磁学的理论框架不断完善，应用领域也不断拓展。

电磁学：电与磁的统一电磁学是物理学的一个重要分支，研究电和磁现象之间的关系以及它们的统一性。

在电磁学的发展过程中，科学家们逐渐认识到电和磁并不是两个独立的现象，而是相互联系、相互作用的。

本文将从电和磁的起源、电磁场的概念、麦克斯韦方程组以及电磁波等方面来探讨电与磁的统一。

一、电和磁的起源电和磁的起源可以追溯到古代。

早在古希腊时期，人们就发现琥珀擦拭后可以吸引小物体，这就是静电现象的最早发现。

而磁铁的发现则可以追溯到中国古代，中国古代的指南针就是利用磁铁的性质指示方向的。

然而，直到17世纪，科学家们才开始系统地研究电和磁的性质。

二、电磁场的概念电磁场是电和磁相互作用的媒介。

根据电磁场的性质，可以将电磁场分为静电场和磁场。

静电场是由电荷引起的，而磁场则是由电流引起的。

电磁场的存在使得电和磁可以相互转化，这就是电磁感应的基础。

三、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是描述电磁现象的基本方程组。

它由四个方程组成，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和法拉第电磁感应定律的修正形式。

这四个方程统一了电和磁的描述，揭示了电磁现象的本质。

四、电磁波电磁波是电磁场的一种传播形式。

根据频率的不同，电磁波可以分为不同的类型，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。

电磁波的传播速度是光速，它们在空间中传播时具有波动性和粒子性。

电磁波的发现是电与磁统一的重要证据。

当麦克斯韦方程组被应用到电磁波的研究中时，科学家们发现电磁波的传播速度与光速相等，这就意味着光是一种电磁波。

这个发现彻底改变了人们对光的认识，揭示了电与磁的统一性。

五、电与磁的应用电与磁的统一性在现代科技中有着广泛的应用。

电磁感应的原理被应用于发电机和变压器等设备中，实现了电能的转换和传输。

电磁波的应用也非常广泛，无线通信、雷达、医学影像等领域都离不开电磁波的应用。

总结：电磁学的发展揭示了电与磁的统一性，将电和磁视为相互联系、相互作用的现象。

电磁学：电与磁的统一在我们日常生活中，电和磁现象是非常常见的。

电灯的亮起、手机的充电、磁铁吸引物体等，都与电和磁有关。

然而，你是否想过，电和磁之间是否有某种联系或者统一的理论？答案是肯定的。

电磁学正是研究电和磁现象之间相互关系的学科。

电的本质在电磁学中，首先要了解的是电的本质。

电的产生与电荷密切相关。

电荷是负责携带电力的基本颗粒，可以是正电荷或者负电荷。

当电荷聚集在一起时，就会形成电场。

电场是一种储存了电势能的区域，可以影响周围的物体。

当一些物质中的电荷开始流动，就会形成电流。

电流的存在会产生磁场。

磁的本质接下来，我们来了解一下磁的本质。

磁的产生与磁矩有关。

磁矩是指物体所具有的磁性特征，可以将其想象为一个微小的磁针。

当磁矩在空间中运动时，就会产生磁场。

磁场可以被其他磁矩所感知，并且会对具有磁性的物体产生吸引或排斥的作用。

电与磁的统一：麦克斯韦方程组早在19世纪，物理学家詹姆斯·麦克斯韦提出了一组方程，被称为麦克斯韦方程组，它们描述了电磁学的基本原理。

麦克斯韦方程组将电场和磁场统一到了一起，指出它们本质上是相互联系的。

麦克斯韦方程组包括四个方程，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和法拉第电磁感应哲学。

应用：电磁波和电磁感应电磁学的研究成果不仅仅停留在理论层面，还拓展出了许多实际应用。

其中两个重要的应用是电磁波和电磁感应。

电磁波是指电场和磁场在空间中传播的波动现象。

电磁波包括无线电波、可见光、红外线、紫外线等。

无线电波的应用使得通信更加便捷，可见光则是人类生活中不可或缺的一部分。

红外线和紫外线则在医疗、红外线热像仪、杀菌等方面发挥着重要的作用。

电磁感应是指当磁场发生变化时，会在导体中产生感应电流。

这个现象被广泛应用于发电机、变压器、电磁铁等设备中。

利用电磁感应，我们可以将机械能转化为电能，或者通过变压器进行电能的传输和调整。

电磁学的发展与应用，使得我们对电和磁的认识更加深入和全面。

第19卷第2期大　学　物　理Vol.19No.22000年　2月COLL EGE PHYSICS Feb.2000邮票上的物理学史连载邮票上的物理学史 µυ———麦克斯韦的电磁理论秦克诚(北京大学物理系,北京　100871) 法拉第丰硕的实验成果和他新颖的场的观念为电磁现象的统一理论准备了条件.完成这一历史任务的是卓越的英国物理学家麦克斯韦(1831～1879年).图1的邮票是圣马力诺1991年发行的纪念无线电百年系列邮票中的第一张.溯本探源,无线电的发明当然得从麦克斯韦电磁理论的提出算起.图中的花体字母是C =J +D ,程.图2是发行这张邮票的首日邮戮.在麦克斯韦建立他的电磁理论之前,诺埃曼、韦伯等德国物理学家,继承了安培的超距作用观点,对电磁现象的研究作出过不少贡献,形成了电动力学的所谓大陆学派.但是,他们企图在力学的框架内理解电磁现象,提出各种复杂的相互作用“势”来描述电磁过程,理论繁复而不自然,未能建立起一个统一的理论体系.而麦克斯韦则继承了法拉第的近距作用观念,取得了决定性的进展.麦克斯韦走了三大步才建立起电磁理论,前后共历时十余年.他一开始就把注意力集中到法拉第的力线上.1856年,他发表了电磁理论方面第一篇论文“论法拉第的力线”,在开尔文对热传导现象、流体运动和电磁力线的类比研究的基础上,首次试图将法拉第的力线概念表述成精确的数学形式.他在文中给出了电场和磁场的已知定律的微分关系式.1862年,他发表第二篇论文“论物理的力线”.在这篇论文中,他提出一个分子涡流以太模型,基于这个模型,通过数学计算可以得出电学和磁学中全部已知的基本定律,除此之外,麦克斯韦还在这个模型的基础上引入了“位移电流”的概念:变化电场引起介质电位移的变化,这种变化与传导电流一样在周围的空间激发磁场.位移电流概念完全是麦克斯韦的独创(而且是在没有任何实验提示的情况下,只是为了保证理论的自洽性———与电荷守恒定律兼容而大胆引入的),因此,麦克斯韦电磁理论决不仅仅是法拉第的思想的数学精确化.提出位移电流不但保证了理论的自洽性,而且使理论具有一种对称性:变化的电场在周围的空间激发涡旋磁场,变化的磁场在周围的空间激发涡旋电场,这就为脱离场源而交互变化的电场和磁场———电磁场的独立存在提供了依据.电磁场是一种新型的波动,以横波的形式在空间传播,形成所谓电磁波.1865年,他发表了第三篇论文“电磁场的动力理论”,在这篇论文中,他不再用他过去提出的以太模型,而是通过数学解析方法,总结了今天以他的名字命名的电磁场基本方程图.图3是尼加拉瓜(1971年)的“改变世界面貌的10个公式”邮票中关于麦克斯韦方程组的一张.由这个方程组他推出电磁场所满足的波动方程,预言了电磁波的存在.由于算出的电磁波在真空中的传播速度与真空的光速相同,麦克斯韦断言光就是频率在某一范围内的电磁波,建立了光的电磁理论.麦克斯韦先用以太模型导出新的电磁场方程组,然后又敢于舍弃原来的力学比拟,让电磁场理论从机械论框架中解放出来,成为独立的物理对象,这是麦克斯韦的伟大之处.有人曾这样比喻:对麦克斯韦来说,机械模型就好像建筑高楼大厦时的脚手架,楼房建好之后,脚手架就一点一点被拆掉了.回顾电与磁的联系的发现经过是很有意思的:最开始是奥斯特发现持续电流的磁效应,得到了磁场的两个源中的一个(麦克斯韦方程组的第四方程的一半).人们以为有逆效应存在,多方寻觅,在实验上发现的却是瞬态的磁场变化能够产生电场(方程组中的第三方程).然后出于自洽和对称的考虑,从理论上提出位移电流,得到第四方程的完整形式.再以后,在相对论中,通过洛伦兹变换可以从电场得出磁场,两种“不同”的自然力就完全统一了.1865年后,他辞职退隐庄园养病.此后他把主要精力放在整理、总结电磁场理论上.1873年,他出版了经典名著《电磁理论》.1879年,他在长期患病后与世长辞,终年才48岁.如果他能多活9年,就能亲眼看到自己的理论被赫兹的电磁波实验证实了.图4是墨西哥1967年为纪念在墨西哥城举行的国际电信会议发行的邮票,上面有麦克斯韦和赫兹的肖像.无线电波在通讯上的各种应用,当然是和麦克斯韦和赫兹的名字分不开的.法拉第和麦克斯韦的电磁学强调了电磁场的实在性,电磁场是物理场的第一个实例.从麦克斯韦理论可得,电磁场和实物一样,具有能量和动量,电磁波的动量会在它照射的表面上产生一个辐射压强.既然光也是电磁波,那么光也会对被它照射的物体施加压力(光的粒子说也提出了光压的概念,开普勒就曾用它解释太阳光对彗尾的推斥).俄国物理学家列别捷夫(图5,苏联1951年)于1910年实验测出光压,在实验误差范围内与麦克斯韦预言之值相等,从而为光的电磁理论提供了实验证据.除了电磁理论以外,麦克斯韦还在别的许多方面做出重要的贡献.他提出土星的光环是由许多小颗粒组成的,而不是固体或流体结构.后者会在引力和离心力的作用下瓦解,只有前者才能保持稳定.在热力学中,他系统表述了各个热力学变量的偏导数之间的一些关系式,现称为麦克斯韦关系式.他提出了“麦克斯韦妖”的著名佯谬,深化了对热力学第二定律的理解.他与克劳修斯和玻尔兹曼同为气体分子动理论的创始人,提出了以他的名字命名的气体分子的速度分布定律,并根据这一定律推算出气体分子的平均自由程.他首先建议,应当采用一种由少数基本单位有系统地建立起来的协调一致的(coherent)单位制,即从基本单位推出导出单位时,其比例常数为1,以减少计算的繁复和消除产生错误的源泉.后来采用CGS单位制就是采纳他的意见和结果.他在剑桥创办了著名的卡文迪什实验室,并担任首任主任.他还编辑出版了卡文迪什的手稿.麦克斯韦的电磁理论实现了电、磁和光现象的统一,这是自从牛顿实现天上和地上的运动的统一以后物理学中第二次大统一.麦克斯韦的电磁学是人类知识宝库中一份博大精深的科学遗产,其历史地位完全可以和牛顿的力学媲美.麦克斯韦可说是除牛顿和爱因斯坦以外第三位最伟大的物理学家.不过,有关麦克斯韦的邮票却不多,迄今笔者只见到上面三张.邮票不是选票,其数量并不与学术地位和历史业绩成正比.美国物理学家费曼对麦克斯韦的工作是这样评论的:“从人类历史的长久观点来看———例如从自今以后一万年的观点来看,几乎无疑的是,麦克斯韦发现电动力学定律将被判定为19世纪中最重要的事件.与这一重要科学事件相比,发生于同一个10年中的美国内战(按:指南北战争,发生于1861～1865年)将褪色而成为只有地区性意义的了.”是的,认识和理解大自然是最宏伟、最壮丽、最有持久价值的事业,和这一事业相比,历史上的帝国兴亡,生活中的名利追逐,只不过是“相争两蜗角,所得一牛毛”.在这一伟业中,物理学是走在最前面、冲锋陷阵的前锋部队.能够成为这支部队的一员,是每一个物理学工作者都感到自豪的事.宇宙的年龄是一百多亿年,人类出现在地球上大约有一百万年,一个人的生命不过百年,人生的意义究竟是什么?笔者认为,人类就是大自然母亲磨制用来照自己的镜子,进化过程就是她磨镜的过程,镜子越来越完善,越来越清晰,它的任务便是要尽量清晰地把大自然照出来.进化使我们具有思维和理解能力,而发现和认识自然规律,直接间接为这一事业服务,便是人生的使命和价值.图1图2图3图4图5。

电磁学：电与磁的统一电磁学是物理学的一个重要分支，研究电荷和电流所产生的电场和磁场以及它们之间的相互作用。

在电磁学的发展过程中，科学家们逐渐认识到电与磁实际上是相互关联、相互转化的两个现象，最终形成了电与磁的统一理论。

静电学与静磁学在电磁学发展的早期阶段，人们对于电和磁的性质进行了分离研究。

静电学主要研究静止电荷所产生的电场及其相互作用，而静磁学则主要研究静止电流所产生的磁场及其相互作用。

这两个领域的发展为后来的电动力学奠定了基础。

麦克斯韦方程组19世纪中叶，麦克斯韦通过实验和理论推导，提出了描述电与磁统一现象的方程组，即麦克斯韦方程组。

这个方程组包括四个方程，分别是高斯定律、法拉第电磁感应定律、安培环路定律和法拉第电磁感应定律的修正形式。

这些方程描述了电场和磁场的生成、传播和相互作用规律，成为电磁学的基础。

电磁波的发现麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，但直到后来的实验才证实了这一预言。

1887年，赫兹通过实验证明了电磁波的存在，并测量了它们的速度。

这一发现引发了对于电磁波性质的深入研究，也为无线通信等技术的发展奠定了基础。

电磁场与相对论爱因斯坦在20世纪初提出了相对论，将电磁学与空间时间的统一进行了深入探讨。

他认为电场和磁场实际上是同一个物理量在不同参考系下的表现形式，即电磁场。

相对论进一步加深了人们对于电与磁统一性质的理解，并为后来量子力学的发展提供了重要线索。

量子电动力学量子电动力学是描述微观世界中电磁相互作用的理论，将量子力学和电动力学相结合。

通过量子电动力学，我们可以更好地理解电磁场与粒子之间的相互作用，解释光的发射、吸收和散射等现象。

这一理论的发展为现代物理学的研究提供了重要工具。

应用与展望电磁学的应用广泛，涵盖了电力工程、通信技术、电子器件等多个领域。

例如，电力工程中利用电磁感应原理实现发电和输电；通信技术中利用电磁波进行信息传输；电子器件中利用电磁场控制电流和信号等。

未来，随着科学技术的不断进步，电磁学将继续发展，并在更多领域发挥重要作用。