數(shù)學(xué)公式郵票中的物理內(nèi)涵（二）

　　●麥克斯韋電磁方程——▽·D=ρ等
　　電磁方程組含有四個方程，不僅分別描述了電場和磁場的行為，也描述了它們之間的關(guān)系。由于其中除了高中物理中介紹的電場強(qiáng)度E、磁感應(yīng)強(qiáng)度B外，還涉及高中學(xué)生所不熟悉的磁場強(qiáng)度日及電位移D，并涉及微分、積分、散度、旋度等高等數(shù)學(xué)運(yùn)算，此處不便具體列出。四個方程分別表達(dá)了：電荷是如何產(chǎn)生電場的（高斯定理）；驗(yàn)證了磁單極子的不存在（高斯磁場定律）；電流和變化的電場是怎樣產(chǎn)生磁場的（安培定律），以及變化的磁場是如何產(chǎn)生電場的（法拉第電磁感應(yīng)定律）。最初形式的電磁方程組是由麥克斯韋建立的。
　　麥克斯韋（1831年6月13日～1879年11月5日）是英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，經(jīng)典電動力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計物理學(xué)的奠基人之一。他出生于蘇格蘭愛丁堡，卒于劍橋。麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果。在科學(xué)史上，麥克斯韋可與牛頓齊名。因?yàn)椋�牛頓把天上和地上的運(yùn)動規(guī)律統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了第一次大綜合，而麥克斯韋則把電、光統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了第二次大綜合。麥克斯韋被普遍認(rèn)為是對物理學(xué)最有影響力的物理學(xué)家之一。
　　在麥克斯韋以前的許多年間，人們就對電和磁這兩個領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，人們都知道這兩者是密切相關(guān)的。適用于特定場合的各種電磁定律已被發(fā)現(xiàn)，但是在麥克斯韋之前卻沒有形成完整、統(tǒng)一的學(xué)說。當(dāng)時，關(guān)于電磁現(xiàn)象的學(xué)說都以超距作用觀念為基礎(chǔ)。認(rèn)為帶電體、磁化體或載流導(dǎo)體之間的相互作用，都是可以超越中間媒質(zhì)而直接進(jìn)行，并立即完成的。即認(rèn)為電磁擾動的傳播速度是無限大。在那個時期，持不同意見的只有法拉第。他認(rèn)為上述這些相互作用與中間媒質(zhì)有關(guān)，是通過中間媒質(zhì)的傳遞而進(jìn)行的，即主張間遞學(xué)說。
　　直至1845年，關(guān)于電磁現(xiàn)象的三個最基本的實(shí)驗(yàn)定律：庫侖定律（1785年），畢奧一薩伐爾定律（1820年），法拉第定律（1831—1845年）已被總結(jié)出來。
　　麥克斯韋大約于1855年開始研究電磁學(xué)，在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思想之后，堅信法拉第的新理論包含著真理。于是他抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來。他在前人研究成果的基礎(chǔ)上，參照流體力學(xué)的模型，應(yīng)用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)形式總結(jié)了前人的工作，提出了位移電流的假說，推廣了電流的含義，對整個電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究。在1855年至1864年的十年間，他憑借高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力，接連發(fā)表了電磁場理論的三篇論文（《論法拉第的力線》、《論物理的力線》和《電磁場的動力學(xué)理論》），對前人和他自己的工作進(jìn)行了綜合概括，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數(shù)學(xué)形式表示出來。
　　不過，麥克斯韋1865年提出的最初形式的方程組由20個等式和20個變量組成。他在1873年嘗試用四元數(shù)來表達(dá)，但未成功�，F(xiàn)在所使用的數(shù)學(xué)形式是奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯于1884年以矢量分析的形式重新表達(dá)的。
　　1873年麥克斯韋出版了科學(xué)名著《電磁理論》，系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論。這部經(jīng)典著作可與牛頓的《數(shù)學(xué)原理》（力學(xué)）、達(dá)爾文的《物種起源》（生物學(xué)）相提并論。
　　麥克斯韋電磁場理論的要點(diǎn)可以歸結(jié)為：（1）幾分立的帶電體或電流，它們之間的一切電的及磁的作用都是通過它們之間的中間區(qū)域傳遞的，不論中間區(qū)域是真空還是實(shí)體物質(zhì)；（2）電能或磁能不僅存在于帶電體、磁化體或帶電流物體中，其大部分分布在周圍的電磁場中；（3）導(dǎo)體構(gòu)成的電路若有中斷處，電路中的傳導(dǎo)電流將由電介質(zhì)中的位移電流補(bǔ)償貫通，即全電流連續(xù)。且位移電流與其所產(chǎn)生的磁場的關(guān)系與傳導(dǎo)電流的相同；（4）磁通量既無始點(diǎn)又無終點(diǎn)，即不存在磁荷；（5）光波也是電磁波。
　　麥克斯韋的這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。據(jù)此，他預(yù)言了電磁波的存在，電磁波只可能是橫波，并計算了電磁波的傳播速度等于光速，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。23年后，德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋關(guān)于電磁波的預(yù)測。麥克斯韋電磁場理論是無線廣播的理論基礎(chǔ)，也是愛因斯坦狹義相對論的重要背景。
　　此外，在熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)方面麥克斯韋也做出了重要貢獻(xiàn)。他首次用統(tǒng)計規(guī)律得出麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀量求統(tǒng)計平均值的更確切的途徑。他給出了分子按速度的分布函數(shù)的新推導(dǎo)方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎(chǔ)的。他引入了馳豫時間的概念，發(fā)展了一般形式的輸運(yùn)理論，并把它應(yīng)用于擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)和氣體內(nèi)摩擦過程。“統(tǒng)計力學(xué)”這個術(shù)語也是由麥克斯韋引入的。
　　麥克斯韋是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析物理問題和精確地表述科學(xué)思想的大師，同時也非常重視實(shí)驗(yàn)。他1871年受聘為劍橋大學(xué)新設(shè)立的卡文迪許實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，1874年建成后擔(dān)任這個實(shí)驗(yàn)室的第一任主任。在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)展成了舉世聞名的學(xué)術(shù)中心之一。
　　麥克斯韋嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)研究方法是人類極其寶貴的精神財富，他的電磁學(xué)理論為電器時代奠定了基石，為近代科學(xué)技術(shù)開辟了一條嶄新的道路愛因斯坦在麥克斯韋百年誕辰的紀(jì)念會上曾對他做出這樣的高度評價：“麥克斯韋的工作是自牛頓以來，物理學(xué)上影響最深遠(yuǎn)與豐碩的工作�！�
　　●愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式——E=mc²
　　質(zhì)能關(guān)系式E=mc²中，E為系統(tǒng)的總能量，m為系統(tǒng)的總質(zhì)量，c為光速。這個關(guān)系式表示物質(zhì)系統(tǒng)的質(zhì)量和能量之間存在著等當(dāng)關(guān)系。需要說明的是，這里的質(zhì)量是廣義的質(zhì)量，包含靜質(zhì)量和各種能量中所對應(yīng)的動質(zhì)量；這里的能量也是廣義的能量，包含靜能和動能，其中靜能指物體靜止時具有的總能量，包括分子動能、分子勢能，使原子與原子結(jié)合在一起的核能等。若物體的能量增加（或減少）AE，則其質(zhì)量也相應(yīng)增加（或減少）△m。質(zhì)能關(guān)系式是由愛因斯坦首先發(fā)現(xiàn)的。

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