谈物理学的统一美

谈物理学的统一美潘　岳　李林洋　卢晓波（山东大学物理学院　２５０１００）

【摘　要】当我们谈到科学的时候，总是上到天文，下到原子，津津乐道的谈夸克，心有余悸的谈核辐射，物理，这门神奇的学科，到底靠着什么吸引着大家呢？本文以１９世纪电磁学高速发展的黄金时期中的一位伟大的物理学家麦克斯韦统一电磁理论为主线，从物理学的一个美学特性———统一美来阐述物理学之美，同时在文中感受物理学家的伟大人格。

【关键词】物理学；统一美；电磁理论；麦克斯韦

在物理学中，简单的规律可以概括出大自然中纷繁的现象。这是大自然的一种神奇的“支配力”，使得一切井井有条。就连万有引力定律的发现者牛顿（有神论者）也说：“这极其美丽的宇宙系统，只能由于大智大能者的管辖下而产生。”现在我们应相信这个“大智大能者”就是物理学中的概念和规律。这种神奇的统一应能用科学的眼光解释，这就是物理学的统一美。

１８、１９世纪是一个电磁学发展的一段黄金时期，在库伦、泊松、戴维、伏打、高斯、奥斯特、欧姆、安培、法拉第等人的共同努力下，电磁学的理论和实验都有了飞跃式的发展。但当时法拉第开创性的“力场”、“磁力线”等抽象而又缺乏数学依据的概念并不能完全为人们所接受。就在此时，一位青年物理学家登门拜访了法拉第，决心用自己的数学知识来弥补法拉第理论中的不足。而这位青年物理学家即将成为电磁学的集大成者。他就是麦克斯韦。

１８３１年１１月１３日，伟大的实验物理学家法拉第发现了著名的电磁感应定律。同年，伟大的理论物理学家麦克斯韦出生于苏格兰的爱丁堡。在父亲良好的熏陶下，麦克斯韦从小受到了良好的教育。童年中的麦克斯韦好奇心很强，而修养很高的父亲总是努力培养他的兴趣，甚至经常带着不到十岁的他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座。入学之后，由于乡下口音和怪异服饰，麦克斯韦受到了同学们的冷嘲热讽和孤立。但这一切并没有对麦克斯韦造成太大的负担，他还可以在知识点海洋中尽情遨游。直到后来有一次麦克斯韦在中学举办的数学和诗歌比赛中拿到了双料冠军之后，同学们才开始对他刮目相看。同时，麦克斯韦的数学才华也开始显现。未满１５岁的麦克斯韦的一篇数学论文发表在了《爱丁堡皇家学会学报》上。一个最高学术机构的学报刊登了孩子的论文，是罕见的，而这篇讨论二次曲线的几何作图的论文，也是相当有创见的。

１８４７年，１６岁的麦克斯韦考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学，专门攻读数学和物理学。三年之后，他又转到人才济济的剑桥大学学习。在大学期间，麦克斯韦的数学知识突飞猛进。在霍普金斯教授的指导下，麦克斯韦变成了一个思维条理的数学物理学家（理论物理学家）。霍普金斯对他的评价是：“在我教过的全部学生中，毫无疑问，这是最杰出的一个！”工欲善其事，必先利其器。麦克斯韦的“数学利器”在手，便可开始完成他的伟大物理事业了！

麦克斯韦毕业后不久，便被法拉第的《电学实验研究》吸引了。他对书中的“力线”等观点十分佩服，但也发现了整个理论缺乏数学依据和综合概括的缺点，年轻的麦克斯韦决定用自己的数学知识来弥补他。随后，２４岁的麦克斯韦发表了《论法拉第的力线》，他在论文中通过数学方法，把电流周围存在“力线”这个现象，概括为一个高等数学里的矢量微分方程。后来麦克斯韦经历了父亲去世等一些波折之后，便又继续进行他的电磁学理论研究。随后便是那次伟大的会面，年轻的麦克斯韦将他的名片递到了法拉第的府上。两位伟大的物理学家亲切的交流着。一个活泼、和蔼、精于

实验、善于想象的法拉第，和一个严肃、机智、精于理论、善于推理的麦克斯韦，一老一小配合的天衣无缝。就是在这次会面中，法拉第将自己电磁学研究的火炬传给了冉冉升起的麦克斯韦。法拉第鼓励麦克斯韦：“你不应该停留在用数学来解释我的观点，你应该突破它！”

就这样，麦克斯韦继续着他的研究。１８６２年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》上发表了他的第二篇电磁学论文《论物理学的力线》。文章引起了广泛的关注。电子的发现人汤姆逊后来回忆说：“我到现在还清晰地记得那篇论文。当时，我还是一个１８岁的孩子，一读到它，我就兴奋极了！那是一篇非常长的文章，我竟把它全部抄下来了。”这篇具有划时代意义的论文提出了“位移电流”的概念，推导出了麦克斯韦方程，并预言了电磁波的存在。１８６５年，他发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》，进一步完善了自己的理论，并预言了光也是一种电磁波。又经过几年的努力，包括电磁学理论完整体系的《电磁学通论》在１８７３年问世。这一伟大的著作囊括了当时电磁学的全部成果，将电与磁统一在了一起，成为了整个物理学史上的一部经典著作。

麦克斯韦电磁学成就的代表就是麦克斯韦方程组，在此我就不再列出方程组的数学表达式了，以下是方程组中四个公式的含义：第一个式子是电场奥－高定理；第二个式子是静电场环路定律；第三个式子是法拉第电磁感应定理；第四个式子是安培环路定理。

在麦克斯韦方程组中我们可以清楚的看到电与磁的完美统一。经过几代人的努力，电与磁的关系终于趋于明确。电可以生磁，磁可以生电，而电磁波则是二者统一的完美象征，同时光也被统一在了这个范畴之中。

其实，在电磁学中，正电荷与负电荷、磁体的Ｎ极和Ｓ极不也都是完美的统一吗？正负电荷之间可以互相转换，可以互相吸引，可以中和也可以分离，这不正是完美的统一吗？拿出一块磁铁，有两极，将二者“切开”之后又会产生新的两极，Ｎ极和Ｓ级就像一对兄弟一样密不可分，完美统一。

所谓的守恒定律，应是物理学中统一之美的最高体现。质量守恒、能量守恒、动量守恒……一个个守恒，不正是体现着不同物体、不同形式的质量、能量、动量之间的完美统一吗？

另外，在整个物理学中，统一之美也是随处可见。世间各种各样、变化多端的力被统一为了强相互作用力、弱相互作用力、电磁力、引力四种力，而至今仍有人致力于将这四种基本力进一步统一。再如光的波粒二象性，是光的波动性与粒子性的统一，也是粒子运动与波动的统一。一切尽在和谐统一之中，怎能不美？

作为物理学专业的学生，我们整日在物理学的象牙塔中苦读，有时也不禁会产生种种困惑：物理学中充满了种类繁多的公式、计算，而其乐趣在哪里？相信读完这篇文章你我都会有所感、有所悟：物理学作为科学的代表是充满美感的，统一美便又是物理学之美的一个代表。在这种对美的认识的前提下，再面对物理学中的公式、计算，也就不会觉得太枯燥了吧。只有能体会到物理学的美、科学的美才能真正称得上懂得科学，懂得世界。

【参考文献】

［１］【美】弗·卡约里．《物理学史》，内蒙古人民出版社，１９８１年．

［２］【美】徐一鸿．《可畏的对称》，清华大学出版社，２００５年．

—

８

５

１—