1、1电磁学/电动力学：现象、技术与思想lectromagn tisme/lectrodynamique:Ph nomene,Technologie&Ideen2022.12.31 2022.12.31 中国科学院中国科学院 物理研究所物理研究所2023 跨年科学演讲 个人跨年演讲的回顾与安排个人跨年演讲的回顾与安排量子力学量子力学相对论相对论(2019.12.30)(2020.12.30)规范场论规范场论(2021.12.31)电磁学电磁学/电动力学电动力学(2022.12.31)热力学热力学经典力学经典力学(待定待定)(待定待定)3本次跨年演讲的源文件本次跨年演讲的源文件将由中国科学院物理研究
2、所公众号发布将由中国科学院物理研究所公众号发布若内容有可取之处，请随意采用若内容有可取之处，请随意采用4学物理、研究物理、教物理，物理所是认真的学物理、研究物理、教物理，物理所是认真的关于个人物理讲座语言问题关于个人物理讲座语言问题批评意见：为什么在讲座中夹杂那么多的外语？批评意见：为什么在讲座中夹杂那么多的外语？物理学工作语言变迁：拉丁语物理学工作语言变迁：拉丁语德语德语(法语法语)英语英语额外地额外地使用了外语：使用了外语：避免翻译歧义避免翻译歧义(所有人所有人)方便阅读外文文献方便阅读外文文献(中学以上中学以上)方便查找原始文献方便查找原始文献(大学以上大学以上)热爱我们的热爱我们的母语
3、母语，就请大大方方地用就请大大方方地用各种其他语言各种其他语言去吸收人类文化的精华，进去吸收人类文化的精华，进而对人类文化做出而对人类文化做出自己的自己的突出贡献，让我们的母语成为突出贡献，让我们的母语成为人类先进文化的载体人类先进文化的载体。语言是毛，文化是皮。语言是毛，文化是皮。贡献了文化，就捍卫了母语。贡献了文化，就捍卫了母语。如何热爱中华文字？如何热爱中华文字？建议建议了解一下赵元任、梁实秋、了解一下赵元任、梁实秋、钱钟书、王力、王竹溪钱钟书、王力、王竹溪，还有老外还有老外雷立柏雷立柏。光懂俄语不能在科学上深造。-车尔尼雪夫斯基怎么办？(1828-1889)?不能读这本书的原文，算得上
4、是一种遗憾。新电气时代 一切为了人类文明进步一切为了人类文明进步所所付出过的努力都值得我们付出过的努力都值得我们敬重和珍惜敬重和珍惜；对人类的文明结晶要采取对人类的文明结晶要采取拿来主义拿来主义；我们应该做出我们应有的我们应该做出我们应有的贡献贡献，也乐意与他人，也乐意与他人分享分享我们的我们的成就，这才是新时代中国人的觉悟与气度成就，这才是新时代中国人的觉悟与气度一些物理学科的特性The Nature of some physics branches 热力学：热力学：原理性学问原理性学问经典力学：经典力学：摸索摸索原理性学问原理性学问相对论：相对论：摸索摸索原理性学问原理性学问规范场论：规范
5、场论：摸索摸索原理性学问原理性学问电磁学电磁学/电动力学：电动力学：构造性学问构造性学问量子力学：量子力学：构造性学问构造性学问凑量子化条件原理性、构造性理论原理性、构造性理论爱因斯坦爱因斯坦1934一些物理学科的特性经典力学原理:the least-action principle大白话：大白话：最省事原理最省事原理热力学原理：卡诺原理大白话：大白话：凡是不以做功为目的的传热都是浪费凡是不以做功为目的的传热都是浪费相对论原理：相对性原理大白话：大白话：物理理论与参照框架无关，形式上不依赖于坐标系的选择物理理论与参照框架无关，形式上不依赖于坐标系的选择规范场论原理：规范原理大白话：大白话：物理
6、理论的对称性要有余量物理理论的对称性要有余量电磁学、电动力学、电磁学、电动力学、量子力学量子力学、量子电动力学、量子场论、量子电动力学、量子场论?我为什么对电磁学我为什么对电磁学/电动力学心里发怵？电动力学心里发怵？没哭过长夜，没哭过长夜，不足以不足以谈人生谈人生！歌德 威廉 迈斯特的学习时代Wer nie sein Brot mit Tr nen a,Wer nie die kummervollen N chteAuf seinem Bette weinend sa,Der kennt euch nicht,ihr himmlischen M chte.Ihr f hrt ins Leben
7、 uns hinein,Ihr lasst den Armen schuldig werden,Dann berlasst ihr ihn der Pein:Denn alle Schuld r cht sich auf Erden -Goethe,Wilhelm Meisters Lehrjahre,1795/6没困惑到挠头，恐不方便跟人说学过电动力学。没泪水泡饭吃的，没哭过长夜的，那些人就不知道马王爷您长三只眼！歌德某年初秋，武汉大学，一大二学生如是说：曹老师，我读完了Jackson的经典电动力学，我觉得它有问题，但我不知道是什么问题，你告诉我到底是什么问题。10混乱不堪的单位制、记号、表
8、式形式混乱不堪的单位制、记号、表式形式我为什么对电磁学/电动力学心里发怵？这还是用最初级的数学的表示我为什么对电磁学/电-动力学心里发怵？为什么书后有公式附录列表呢？是为了你需要时查询？不，是因为写这书的作者本来就不指望不指望能让人理解、学会、记住。哪一个学电哪一个学电-动力学的中国学生没动力学的中国学生没被这些不知所云的矢量公式被这些不知所云的矢量公式 vector formulae 虐过好几遍？虐过好几遍？有几个上电有几个上电-动力学课的青教们知动力学课的青教们知道这是在干嘛的？道这是在干嘛的？这是这是数学？数学？12电磁学的主角 D，E，P vs.B，H，M1.它们各自的名称、定义是什么
9、？2.谁是自由空间的量，谁是物质里的量？物理学家投过票的3.谁和谁一拨儿？谁和谁能组合到一起进入高层次表示？4.历史上谁出现在先、谁在后？5.写本构方程时谁在左、谁在右，谁该和谁在一边？Here we are going to show that subdivision(of free and bound charges)is not so rigid,and unfortunately those two kinds of charge are usually defined in many different,non-equivalent ways,depending on the con
10、text.“自由电荷、束缚电荷就是瞎扯！”我天！原来不是我一个人困惑。Shortly,the concepts of free and bound charges sound quite fuzzy and arbitrary,and trying to impose a rigid definition of them seems useless.哈哈哈我为什么对电磁学/电动力学心里发怵？D=/0费曼说过，他选：All things are made of atoms.事物都是原子事物都是原子()构成的构成的!如果人类即将毁灭，只能给后来的文明留一句话，你想说什么？如果咱们普通人也能插上嘴我
11、会选这么一句，“要学会用电“要学会用电!”，并且加上电火花的符号。人类再也回不到没有电的时代了。内 容 提 要 电现象与磁现象 静电学与静磁学 电磁学 电磁学的数学 电动力学(狭义相对论,2020跨年)量子电动力学电学问博大精深电学问博大精深本讲座挂一漏万本讲座挂一漏万15朗道理论物理教程 4/10经典电磁学经典电磁学是流体力学是流体力学Electricity(电电).英国物理学家William Gilbert(1605-1682)1600年在著作 De Magnete(论磁)中基于拉丁语electrum (amber,树脂，琥珀)创造了现代拉丁语词electricus(resembling
12、electrum).Electric(电的电的).1640年代，生理学家 Thomas Browne(1605-1682)使用了electric这个英语形式，意为如同琥珀的。Electrodynamics(电电-动力学动力学).1826年，法国物理学家安培(Andr-Marie Amp re，17751836)创造了法语词 electrodynamique.Electron(电子电子).1891年 爱尔兰物理学家 Geoerge J.Stoney(1826-1911)基于electric造了这个词,electric+on；1897年发现年发现.Quantum Electrodynamics(量
13、子电量子电-动力学动力学).1927年，英国狄拉克(P.A.M.Dirac)几个“电”概念的关键年份电在磁后，电在磁后，磁好把握磁好把握电磁学/电动力学人物1.牧羊人Magnes,Thales2.Gilbert，Franklin,McCullagh?3.Oersted4.Coulomb，Amp re，Biot-Savoir5.Gauss,Weber,Kirchhoff6.Henry,Mossetti,Volta 7.Faraday;Ohm,Joule,Lord Kelvin 8.Poisson,Hamilton,Grassmann,Maxwell,Clifford,Tait,Heaviside
14、,Green,Neumann,Riemann,Voigt9.Lorentz，Lorenz，Lenz10.Hertz (Emil Cohn?)11.J.J.Thomson,Poincar,Einstein 12.Pauli，Dirac,Jordan13.Schwinger，Feynman，Tomonaga,Dyson人名作为电磁学单位1.Coulomb 2.Amp re，3.Oersted4.Volta5.Gauss,Tesla 6.Weber 7.Henry 8.Faraday9.Ohm 10.Joule11.Hertz12.Siemens 电磁学电磁学的数学的数学The most incom
15、prehensible thing about the universe is that it is comprehensible.Albert Einstein,Physics and Reality,1936大自然为人类提供了认识自然的自然路径！自然界有现成的 电现象、磁现象和光，有现成的良导体金银铜地有磁，日有光，云上有电地有磁，日有光，云上有电如果发展不出电磁学，那人类才对不起造物呢！Physical phenomenon:自然现象Electricity is a Physical Phenomenon雷電(thunder/lightning):短时、猛烈，我们不知道它是什么。注：Ph
16、ysis，自然；Nature，生产2750 BCE 埃及，尼罗雷神“Thunderer of the Nile”and described them as the protectors of all other fish.给你特殊的感受产于墨西哥湾的产于墨西哥湾的 Lesser electric rayMarbled electric ray.Electric Ray,电射线？电射线？No，we are 电鳐，一种 fish。Torpedo,不是鱼雷，那是电鯆.1773年,卡文迪许(1731-1810)认为electric ray 使用了电(electricity).电鳗的名称是后来的，不知道
17、当年叫啥电压:0600 V电流密度：0.5 A/2中国科学院已经能够模拟电鳗，并试图回答“电鳗咋不自动变成烤鱼呢？”Electric fish are reported byArabic naturalists电鳗能干翻鳄鱼Electricity is a Physical Phenomenon21Stargazer,仰望星空者？仰望星空者？你才仰望星空呢，你们一宿舍你才仰望星空呢，你们一宿舍都仰望星空。都仰望星空。这是电鰧，是电瓶的祖先。这是电鰧，是电瓶的祖先。电有极！电有极！当琥珀(electron)遇到了毛皮电是一种自然现象电是一种自然现象23牛角梳？当琥珀(electron)遇到了毛皮
18、、绸缎Charged with electricity,with electric charge琥珀仿佛带上了(charged with)什么琥珀琥珀 (electron)树脂(resin)，琥珀(amber)is fossil resin松香(rosin)umbrella时时勤拂拭时时勤拂拭容易惹尘埃容易惹尘埃Electra and OrestesElectra(shining,the beaming sun,amber),其兄 为 Orestes(Mountaineer),他 们 是Agamemnon 和 Clytaemnestra 的儿女,他们合伙谋杀了母亲 ClytaemnestraE
19、lectra 后来后来被演化出了被演化出了“电电”一词一词一个姓 Oersted 的人发现电的磁效应。而Electra 本身就意味着光1862 年左右，麦克斯韦猜测光是电磁波。冥冥中有天意否？Electra and Orestes(electron)别在西文里见着Electro 就说是电.也别汉语里见着電就以为是electricity.Electrum ()Electrotype of electrum coin from Ephesus,625600 BC.(retrograde,“I am the badge of Phanes”).Electrotype,电电铸版(板)？模压版！Elec
20、trum,金银合金可能是和Amber 一样软乎Charged with electricity,with electric charge.如同,electron(琥珀)那样带上了什么东西。什么东西呢？什么东西呢？不知道哇！不知道哇！Vitreous electricity:positive 正的玻璃电Resinous electricity:negative 负的松香电Electric Charge (荷上电荷上电)问：给你一种物质，你知道用什么物质摩擦能让它带上电？怎么带正电、怎么带负电？答：你把物理学家当什么人了！摩擦起电比你想象的更复杂。再来个栗子：云彩是怎么带电的？上升的蒸汽同下落的软
21、雹摩擦带电的？同一种物质，气液态呃。摩擦从前是带电的唯一方式，很有效的方式问物理学问物理学家去？家去？29Thales of Miletus(624BC548/545 BC):Friction renders amber magneticelectricity.磁吸引无需摩擦.电啥都吸引，磁可不是，但磁自然。301st century BC Pliny in his Natural History records the story of ashepherd Magnes discovering the magnetic properties of some ironstones,“upon
22、taking his herds to pasture,he found that the nails ofhis shoes and the iron ferrel of his staff adhered to the ground.”The name magnet may come from lodestones found in Magnesia,Anatolia(今属土耳其).Magnes 衍生词：Magnet(磁铁),Magnesium(镁),magnesia，Manganese(锰),manganate MagnesMagnetite磁石磁石牧羊人牧羊人Magnes 包铁的杖头包
23、铁的杖头会被一些石头莫名地吸引会被一些石头莫名地吸引31Lodestone(指路石),磁化了的Magnetite,天然磁石()Lodestone:Magnetite F34,inclusion of Maghetite cubic F23,还有杂质。Magnetite F34：黑色 磁体Maghetite cubic F23：红色 呈粉末状另有FeO，黑色方铁矿(w stite)黄铁矿 FeS2，愚人金，也有磁性MagnesMagnetite磁石磁石Spinel Magnetite,磁石，Fe3O4Space group:3磁石，磁石，Magnetite,神奇之石神奇之石MagnetiteMa
24、gnetite F34,每单胞48个原子F24exhibits an inverse spinel crystal structure with cubic close-packed(fcc,face-centered cubic)oxide ions in its unit cell.由晶格结构，计算该晶体的电子结构。由原子实和共有电子能带结构出发理解磁性MagnesMagnetite磁石磁石河北省河北省 磁县磁县明格古要论中记载：“古磁器出河南彰德府磁州。”磁县地处太行山东麓,多山地丘陵，富含煤、铁、锰、铅、石英、铝矾土。淮南子览冥训：若以慈石之能连铁慈石之能连铁也，而求其瓦(瓷，瓦器)，
25、则难矣。慈慈-礠礠-磁瓷磁瓷35Magnetite Magnus大磁石大磁石仪器：仪器：原理，灵敏度，分辨率，动态范围，响应时间.方家以磁石摩针锋，则能指南。其法取新纩中独茧缕，以芥子许蜡，缀于针腰，无风处悬悬之，则针常指南。沈括梦溪笔谈不忍卒读！不忍卒读！后世西人的后世西人的torsion balance汉代司南，磁勺？浮在液体里的磁针指示地磁场的指向Lodestone,指南针指南针吸引-转动Lodestone,leading stone，指指路石指南针针做成针形，悬挂做成针形，悬挂(浮浮)，可指向，可指向梦溪笔谈梦溪笔谈有悬浮、放在碗沿的做法，西方有把有悬浮、放在碗沿的做法，西方有把磁针塞
26、在麦草磁针塞在麦草里里悬浮的记录。悬浮的记录。用现代的说法，就是提高仪器用现代的说法，就是提高仪器灵敏度灵敏度。Michaelson-Morrey 实验整个实验整个设备选在水银上设备选在水银上慈现象慈现象-吸引吸引慈母更能表现吸引力Analogous磁体吸引非磁的铁，磁体吸引非磁的铁，带电体吸引非带电的带电体吸引非带电的物体，物体，不是磁不是磁-磁，电磁，电-电作用。电作用。不是吗？不是吗？经典力学也始于吸引现象38为什么为什么(被被)吸引容易注意到？吸引容易注意到？1.距离变近，局促感 0 ,2.作用强烈，效果明显f 1/3.运动包括平动与转动(磁)，转动在近处明显，虽然转动终究是平动.越不
27、理解就越好奇.一定要找出一个能说服自己的说法来，那就是 Science39Otto von Guericke 1602-1686Around 1650,Otto von Guericke built a crude electrostatic generator(1672):a sulphur ball(硫磺球硫磺球)that rotated on a shaft.When Guerickeheld his hand against the ball and turned the shaft quickly,a static electriccharge built up.This exper
28、iment inspired the development of severalforms of friction machines,that greatly helped in the study of electricity.产生 电电&真空 发现电子产生真空弄点儿电玩玩弄点儿电玩玩“Nollet”glass-globe style electrical machine(玻璃球起电)In 1740 von Bose,a professor of physics at Wittemberg,substituted glass for the sulfur,andimproved the r
29、otating mechanism.He also suspended a metal cylinder above the globe bysilk strings,with a metallic chain to conduct the electricity(电顺着金属链子跑了)fromthe globe to the cylinder.This form of machine is credited to the Abbe Nollet in the middleof the 18th century,but is simply a modification of the Bose m
30、achine.41弄点儿电玩玩Nollet Electrostatic GeneratorHauksbee Electrostatic Generator42弄点儿电玩玩Ramsden Friction Machine,circa 1786Winters electric machineNairnes Electrical MachineIn 1772 Le Roy,a French,constructed a glass plate machine with only one pairof pads;he had,however,two insulated cylindrical condu
31、ctors placedhorizontally at opposite ends of a diameter,one attached to the pads and theother to the metallic comb,thus he collected both kinds of charge(两种电都要两种电都要).Winter,anAustrian,slightly modified Le Roys machine.43弄点儿电玩玩Van Marum Electrical Machine可以收集正电荷或负电荷，或者两者兼收并蓄可以收集正电荷或负电荷，或者两者兼收并蓄44多弄点儿
32、电玩玩Robert J.Van der Graaf(美)in 1929，5 MV Van der Graaf 静电加速器静电加速器Van der Graaf 静电发生器，二分哲学：热机、飞机、CCD45弄点儿电玩玩46玩魔术法国，飞人传电飞人传电.The flying boy experiment.On the right,a globe electrical machine:the ladyelectrifies the glass as the gentleman turns the wheel connected to the globe.弄点儿电玩玩科学的社会传播科学的社会传播发现“电
33、的人传人！”电是能跑动 的？电流电流跑，courier,courir,current 弄点儿电玩玩电能乱跑，形成电流(electric current)难道电是一种流体，flowing fluid?热不是流嘛，Calorique(热质说)电估计也是流，Electrical effluvia咋咋逮逮住点儿电住点儿电 研究研究呢？研究研究呢？48水是宇宙基本元素之一，水是流体。水要有东西盛，所以文明的第一步是陶器时代。电也是一种流体，a flowing fluid,那得弄个瓶子盛.弄点儿电玩玩Early water-filled Leyden jar,consisting of a bottle with ametal spike through its stopper to make contact with the water.Early water-filled Leyden jarus
