2022年12月31日,由中国科学院科学传播局主办,中国科学院物理研究所和抖音承办,中国科学院计算机网络信息中心协办的“复兴路上的科学力量——中国科学院2023跨年科学演讲”面向全网播出。当晚,中科院物理所曹则贤研究员开讲《电磁学/电动力学:现象、技术与思想》。
本篇为下篇,包含普通电磁学的数学问题、电动力学、量子电动力学、结语及回答网友提问五部分内容。
普通电磁学的数学问题法拉第给我们带来了很多成就,但他感慨说自己不懂数学。我们会想,如果法拉第懂得更多数学,他可能会推动这方面的发展。然而,重要的是在于此时的电子运动需要用到更复杂的数学工具。在这一过程中,我们看到了许多标量和矢量之间关系的重要性。
例如,在讨论质量这种标量时,它是可以相加,而对于极性标量如电子荷,则没有简单相加的问题。这就是为什么尽管牛顿万有引力公式和库仑引力公式形式上类似,但它们背后的世界却是截然不同。此外,加速运动中的电子发射出的光波,与静止或匀速运动中的粒子形成了鲜明对比,这些都显示了在理解这些概念时必须借助于适当而精确的方法论。
关于自旋代数等高阶张量,我们通常缺乏深入学习,因此导致在原子物理中难以掌握其内涵。通过四元数等新型工具,引入了一种新的视角去描述三维空间里的转动,从而帮助我们理解流体动力以及其他相关领域。而且,通过点乘与叉乘来处理矢量运算,也让我们的思考变得更加灵活。因此,在1846年的时候哈密顿提出四元数,为后续发展奠定基础,并使其成为描述旋转的重要工具之一。
1860年前后,随着麦克斯韦方程组的发展,人们逐渐认识到真空不仅仅是一种“无”,反而也是一种介质,其特征表现为具有某些独特性质,如允许光波传播。这一发现促使人类从根本上重新审视自然界中各种基本交互作用,包括强弱相互作用,以及如何将这些知识整合进现代科技应用之中,例如无线通信及雷达系统设计等。同时也揭示出规范场理论的重要性,使人们能够更好地理解并利用这些理论进行实际应用,比如天线设计等等。