射頻人必知必會(huì)——電磁波發(fā)現(xiàn)之旅
移動(dòng)通信中信息的傳輸離不開電磁波，然而我們對(duì)電磁波的認(rèn)知也僅僅兩百年，我們今天一起來看一下電磁波的發(fā)現(xiàn)之旅。
No.1 什么是電磁波？
百度百科給的定義：電磁波是由同向且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性。由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。
No.2 電和磁的平行時(shí)代
那我們知道，電磁波是一種客觀存在的物質(zhì)形態(tài)，不以人的主觀意志來改變的一種真是的物質(zhì)，是波的一種。為什么很難被發(fā)現(xiàn)呢？主要是因?yàn)樗牟豢梢姡豢筛杏X。人們總是對(duì)能感覺到的東西比較感興趣，發(fā)現(xiàn)也比較早，比如光波，比如聲波。然而電磁波卻無聲無息，無色無味。但是它卻客觀存在。
人們?cè)诤茉绾茉绲臅r(shí)候，就發(fā)現(xiàn)了磁，黃帝時(shí)代就有了指南車。很早很早的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了電，古希臘人利用毛皮摩擦琥珀發(fā)現(xiàn)了電，還有自然界中的閃電。但長(zhǎng)久以來，電和磁作為兩種物質(zhì)形態(tài)存在，近乎平行線的發(fā)展，似乎永遠(yuǎn)沒有交集。
那么為什么電和磁能夠分別被發(fā)現(xiàn)呢？答案還是因?yàn)槿说母泄伲四軌蚩吹叫〈裴樀男D(zhuǎn)，也能夠看到閃電的火光。
在西方，關(guān)于磁的研究則首推英國醫(yī)生吉爾伯特，正是他的工作使整個(gè)磁學(xué)由經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)。看來世界真是由不務(wù)正業(yè)的人推動(dòng)前進(jìn)的。1600年出版的《論磁》，通過詳盡的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)復(fù)雜的磁理論。關(guān)于吉爾伯特的介紹，請(qǐng)移步今日推出的《吉爾伯特與論磁》查看閱讀。
作為平行線的另一條線----電。盡管人們很早很早就發(fā)現(xiàn)了閃電，也發(fā)現(xiàn)了日常生活中的電現(xiàn)象：比如梳子梳頭之后能夠吸引碎紙屑。但是真正里程碑的研究成果是富蘭克林的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)。（請(qǐng)勿模仿，外國人人少是有原因的）
富蘭克林的故事，請(qǐng)移步今天的另一條推文《牛人富蘭克林》。
富蘭克林通過實(shí)驗(yàn)得出：
電荷分為正電荷和負(fù)電荷。
摩擦起電的過程中，形成等量的異種電荷，且一方失去的電荷等于另一方得到的電荷；
電荷守恒，即電荷即不能被創(chuàng)生，也不會(huì)被消滅，只能從一個(gè)帶電物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)帶電物體，且總量保持不變；
1800年之后，由于各種機(jī)緣巧合，電和磁從兩個(gè)平行的發(fā)展軌跡慢慢走向交叉，攜手前進(jìn)。當(dāng)電磁波一旦被發(fā)現(xiàn)，他所爆發(fā)的巨大威力是此前無法想象的。人類首先在電磁波內(nèi)加入了自己需要的信息----電報(bào)發(fā)明出來了。后來人類掌握了控制電子的技術(shù)，于是發(fā)明了半導(dǎo)體，直至芯片，由此電視，電話，計(jì)算機(jī)乃至無線電技術(shù)，一個(gè)誰都無法控制的信息時(shí)代正如海嘯，波濤洶涌撲面而來。在5G時(shí)代，智能時(shí)代，電磁波的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛深入。
電和磁交匯的第一件大事是丹麥哥本哈根大學(xué)教授奧斯特于1820年7月發(fā)布的一個(gè)細(xì)小的發(fā)現(xiàn)：在電流線周圍，小磁針發(fā)生了環(huán)形偏轉(zhuǎn)。
任何偉大的發(fā)明都是在不經(jīng)意間完成，像牛頓的蘋果，弗萊明的青霉素。但是，其實(shí)這種現(xiàn)象很多人可能都遇到過，但是幸運(yùn)女神只眷顧一個(gè)有準(zhǔn)備的人。正由于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可思議，奧斯特本人特別小心謹(jǐn)慎，從1820年4月到7月之間反反復(fù)復(fù)做了60多次的實(shí)驗(yàn)，其中包括用紙片擱置在電流和小磁針之間，企圖阻斷他們之間存在的這種神秘的力，都為獲得成功。最終在1820年7月21日，奧斯特發(fā)表了《關(guān)于磁針與電流“碰撞”的實(shí)驗(yàn)》這篇著名論文。
奧斯特實(shí)驗(yàn)的重要意義是發(fā)現(xiàn)了電可以產(chǎn)生磁，由此徹底結(jié)束了電與磁分裂的局面。電和磁兩者第一次在奧斯特的實(shí)驗(yàn)中相遇。值得注意的是，這一工作之所以出現(xiàn)在1800年之后，還有一個(gè)不可忽視的原因：在這一時(shí)期，人們才掌握大功率電源技術(shù)，能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)大的電流，以使其比地球磁場(chǎng)大得多，由此也可以看出生產(chǎn)力對(duì)于科學(xué)發(fā)展的刺激和影響。
那時(shí)候的中國還處于第一次鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)前夕，康乾盛世末期。所以對(duì)于現(xiàn)代科學(xué)的起步，我們只能一聲嘆息。愿吾輩努力，不再落后。
我們莫小看這個(gè)小小的“偏轉(zhuǎn)”，它與法拉第關(guān)于電磁領(lǐng)域的深邃思考密切相關(guān)，由于這一改進(jìn)，20世紀(jì)最重要的物理學(xué)概念之一---“場(chǎng)”凸顯出來了，而奧斯特卻與它擦肩而過。有時(shí)候真的，遺憾與幸運(yùn)并存。在法拉第的頭腦中，電流所產(chǎn)生的是磁場(chǎng)，它在電流周圍的空間四處彌漫。接著，法拉第進(jìn)一步提出了先進(jìn)的場(chǎng)力線的概念。
法拉第毫不怠懈，他反復(fù)思考：既然電能夠產(chǎn)生磁，那么為什么磁不能產(chǎn)生電呢？他的思想深刻而簡(jiǎn)單，他的實(shí)驗(yàn)奇妙而直接：即希望有磁鐵構(gòu)成的回路中產(chǎn)生電流。從1821年到1831年，在法拉第人生最富有創(chuàng)造力的十年（30歲到40歲），經(jīng)歷了無數(shù)的失敗。突然有一次他們磁鐵向空氣線圈猛然一插，竟然使電流表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，從而發(fā)明了磁的時(shí)間變化可以產(chǎn)生電。
所以，研發(fā)的兄弟，不要怕失敗，不要怕bug，任何一個(gè)細(xì)小的突破都可能改變你對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的認(rèn)知。
后人把奧斯特和法拉第的工作總結(jié)為如下兩個(gè)方程：
至此，電和磁終于實(shí)現(xiàn)了第一次握手——電可以產(chǎn)生磁，而磁又可以產(chǎn)生電。
第三件大事無疑是天才麥克斯韋的出現(xiàn)。天才麥克斯韋十歲進(jìn)入中學(xué)，16歲進(jìn)入大學(xué)，19歲轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)，23歲畢業(yè)不久即當(dāng)選教授。一個(gè)命運(yùn)巧合的是，麥克斯韋的出生與法拉第的實(shí)驗(yàn)剛好是同一年--1831年。
扎實(shí)的物理基礎(chǔ)和對(duì)事業(yè)的非凡熱愛促使麥克斯韋有一個(gè)宏大的心愿——把法拉第的場(chǎng)概念和思想精確化，數(shù)學(xué)化。
1860年，29歲的麥克斯韋帶著初步成果《論Faraday的力線》，拜見了年近古稀的法拉第，后者對(duì)于麥克斯韋大加贊賞，法拉第說：我不認(rèn)為自己的學(xué)說一定是真理，但你時(shí)真正理解她的人。并進(jìn)一步鼓勵(lì)麥克斯韋：這是一篇出色的文章，但你不應(yīng)該停留在用數(shù)學(xué)來解釋我的觀點(diǎn)，而應(yīng)該突破它。
我們?cè)谙碛们拜厒兊某晒臅r(shí)候，更要去感謝他們的偉大，他們的無私奉獻(xiàn)。
另一方面，作為數(shù)學(xué)文化底蘊(yùn)不深的法拉第，一輩子從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的法拉第，也不無擔(dān)心的提出了他的擔(dān)憂：生怕數(shù)學(xué)掩蓋了電磁的物理實(shí)質(zhì)。事實(shí)證明，麥克斯韋不僅沒有辜負(fù)法拉第的期望，而且真正的把電磁推向了理論高峰。
上面所說的麥克斯韋真正理解法拉第，其內(nèi)在含義極其深刻：
法拉第把電和磁放到全部空間去研究，并引入了場(chǎng)和力線的概念，這就為數(shù)學(xué)表達(dá)提供了施展本領(lǐng)的廣闊舞臺(tái)——旋度
，散度
和梯度
等空間變化的函數(shù)的引入就成為必然。場(chǎng)看不見摸不著，但卻是在潛移默化中起關(guān)鍵左右。
法拉第首次提出在電磁領(lǐng)域，電和磁構(gòu)成一對(duì)矛盾體，且有矛盾轉(zhuǎn)化，即電可以產(chǎn)生磁，磁也可以產(chǎn)生電。顯然，他使電磁物理登上了新的高度。
法拉第第一次否定了中心力，取而代之的使電磁力的相互轉(zhuǎn)化。眾所周知，力學(xué)中萬有引力就屬于典型的中心力，但電磁轉(zhuǎn)化則是環(huán)形相套。（注：詳細(xì)信息請(qǐng)查閱“相對(duì)論前夜：牛頓和麥克斯韋的戰(zhàn)爭(zhēng)”）
如果說麥克斯韋只是簡(jiǎn)單的把法拉利，奧斯特，安培的發(fā)現(xiàn)總結(jié)出數(shù)學(xué)公式，那遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以證明其偉大。如果這樣就可以的話，我也可以彪炳千古。
麥克斯韋最偉大的發(fā)現(xiàn)是他發(fā)現(xiàn)了位移電流
，或者說他發(fā)明了位移電流。即麥克斯韋方程組，方程式4中的。
麥克斯韋作為一個(gè)才華橫溢的青年學(xué)者，他所做的不僅僅是真正理解和吸收法拉第思想的精華，而且取得了重大突破。麥克斯韋說過：從歐幾里得的直線到法拉第的力線，這是使科學(xué)得以向前推進(jìn)的一些思想的特征。麥克斯韋首先發(fā)現(xiàn)了安培和法拉第的轉(zhuǎn)化完全不對(duì)稱。
簡(jiǎn)而言之，安培是源（電流J）產(chǎn)生磁場(chǎng)，而法拉第則是場(chǎng)的變化產(chǎn)生場(chǎng)。很可能正是由于麥克斯韋細(xì)心而深刻的比較，使他發(fā)現(xiàn)了電容電路中電流的不連續(xù)性——外電路有電流，而電容中卻沒有電流。
于是，麥克斯韋由此提出了嶄新的位移電流設(shè)想，即磁場(chǎng)的旋度除了對(duì)應(yīng)傳導(dǎo)電流密度外，還有位移電流密度，唯有這樣，才能保證電流的連續(xù)性定理：
其中位移電流
進(jìn)而：
相應(yīng)的麥克斯韋方程組最重要的兩個(gè)方程得出：
他們真正構(gòu)成了時(shí)間與空間的雙向變化，前面所提及的法拉第的擔(dān)憂完全成了多余。麥克斯韋所推到出的電磁規(guī)律——麥克斯韋方程組不僅準(zhǔn)確統(tǒng)一的表述了奧斯特，安培，法拉第和高斯等提出的實(shí)驗(yàn)定律，而且有了全面系統(tǒng)的升華和提高。
麥克斯韋方程組的重要意義在于：
提出了位移電流之后所構(gòu)成的麥克斯韋方程組清楚的表明：有電場(chǎng)可以轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)，由磁場(chǎng)也可以轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)，并且實(shí)現(xiàn)了時(shí)間變化和空間變化的相互轉(zhuǎn)化統(tǒng)一。
正是電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的相互轉(zhuǎn)化，時(shí)間和空間的相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了電磁波的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間和時(shí)間上環(huán)環(huán)相扣，可以脫離介質(zhì)傳播，也實(shí)現(xiàn)了電磁波和光的統(tǒng)一。
麥克斯韋正式預(yù)言了電磁波，并且指出了電磁波的速度即使光速——很自然的會(huì)產(chǎn)生光與電磁波的統(tǒng)一學(xué)說。
特別是麥克斯韋充分發(fā)揮他的數(shù)學(xué)專長(zhǎng)，由無源條件下推導(dǎo)出了波動(dòng)方程：
麥克斯韋只是預(yù)言了電磁波的存在，但是證實(shí)電磁波的真實(shí)存在卻落在了一個(gè)德國青年物理學(xué)家的身上——赫茲。至此，電磁學(xué)三巨頭終于到位，影響歷史的關(guān)鍵時(shí)刻就要到來。
從1886年到1888年間，赫茲做了一系列的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生電磁波，并且證明了電磁波與光完全相似，有反射，折射，繞射和偏振極化等重要特性。
站在巨人的肩膀上的現(xiàn)代人看來，赫茲實(shí)驗(yàn)僅僅是簡(jiǎn)單的LC振蕩電路和極盡的電火花通信，這完全不足為奇。但是，在當(dāng)時(shí)卻轟動(dòng)了學(xué)術(shù)界：因?yàn)檎沁@一實(shí)驗(yàn)用事實(shí)證明了麥克斯韋的偉大預(yù)言。至此，人們不僅預(yù)言了電磁波，最終還發(fā)現(xiàn)了電磁波。
人類進(jìn)入無線時(shí)代。
隨著5G的建設(shè)，人類將進(jìn)入萬物互聯(lián)的智能時(shí)代。感恩前輩們的奉獻(xiàn)。
那么至此，電磁波發(fā)現(xiàn)之旅是否已經(jīng)完結(jié)？No，麥克斯韋方程的不對(duì)稱性依然存在，像一塊心病困擾無數(shù)科學(xué)家——磁荷和磁流——是否真的存在？如果真的存在，那又會(huì)如何的改變我們的生活...
