2023跨年科学演讲：复兴路上的科学力量

1 2023·跨年科学演讲—— 电磁学/电动力学：现象、技术与思想 Électromagnétisme/Électrodynamique:Phänomene,Technologie&Ideen 2022.12.31 中国科学院·物理研究所 个人跨年演讲的回顾与安排 量子力学相对论 (2019.12.30)(2020.12.30) 规范场论 (2021.12.31) 电磁学/电动力学 (2022.12.31) 热力学经典力学 (待定)(待定) 3 本次跨年演讲的源文件 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 学物理、研究物理、教物理，物理所是认真的 4 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？物理学工作语言变迁：拉丁语→德语(法语)→英语 额外地使用了外语：避免翻译歧义–(所有人) 方便阅读外文文献(中学以上) 方便查找原始文献(大学以上) 如何热爱中华文字？建议了解一下赵元任、梁实秋、钱钟书、王力、王竹溪…，还有老外雷立柏。 热爱我们的母语，就请大大方方地用各种其他语言去吸收人类文化的精华，进而对人类文化做出自己的突出贡献，让我们的母语成为人类先进文化的载体。语言是毛，文化是皮。贡献了文化，就捍卫了母语。 光懂俄语不能在科学上深造。 -车尔尼雪夫斯基《怎么办？》 Чтоделать? 不能读这本书的原文，算得上是一种遗憾。 НиколайГавриловичЧернышевский(1828-1889) 一切为了人类文明进步所付出过的努力都值得我们敬重和珍惜； 对人类的文明结晶要采取拿来主义； 我们应该做出我们应有的贡献，也乐意与他人分享我们的成就，这才是新时代中国人的觉悟与气度 新电气时代 一些物理学科的特性 TheNatureofsomephysicsbranches 热力学：原理性学问 经典力学：摸索→原理性学问 相对论：摸索→原理性学问 规范场论：摸索→原理性学问 电磁学/电动力学：构造性学问 量子力学：构造性学问[凑量子化条件] 原理性、构造性理论—爱因斯坦1934 一些物理学科的特性 经典力学原理:theleast-actionprinciple 大白话：最省事原理 热力学原理：卡诺原理 大白话：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：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：物理理论的对称性要有余量 电磁学、电动力学、[量子力学]、量子电动力学、量子场论?? 我为什么对电磁学/电动力学心里发怵？ 没哭过长夜，不足以谈人生！ 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 —歌德《威廉·迈斯特的学习时代》 WernieseinBrotmitTränenaß,WerniediekummervollenNächteAufseinemBetteweinendsaß, Derkennteuchnicht,ihrhimmlischenMächte.IhrführtinsLebenunshinein, IhrlasstdenArmenschuldigwerden, DannüberlasstihrihnderPein: DennalleSchuldrächtsichaufErden-Goethe,WilhelmMeistersLehrjahre,1795/6 没困惑到挠头，恐不方便跟人说学过电动力学。 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 我为什么对电磁学/电动力学心里发怵？ 混乱不堪的单位制、记号、表式形式 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？ 这是数学？ 哪一个学电-动力学的中国学生没被这些不知所云的矢量公式vectorformulae虐过好几遍？ 有几个上电-动力学课的青教们知道这是在干嘛的？ 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能让人理解、学会、记住。 12 我为什么对电磁学/电动力学心里发怵？ 电磁学的主角[D，E，P]vs.[B，H，M] 1.它们各自的名称、定义是什么？ 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？ ∇∙D=𝜌𝑓/𝜖0 Herewearegoingtoshowthatsubdivision(offreeandboundcharges)isnotsorigid,andunfortunatelythosetwokindsofchargeareusuallydefinedinmanydifferent,non-equivalentways,dependingonthecontext. “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,theconceptsoffreeandboundchargessoundquitefuzzyandarbitrary, andtryingtoimposearigiddefinitionofthemseemsuseless.哈哈哈 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？ 费曼说过，他选：Allthingsaremadeofatoms. 事物都是原子(ατομ)构成的! 如果咱们普通人也能插上嘴 我会选这么一句，“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 电学问博大精深 经典电磁学是流体力学 电磁学 电磁学的数学 本讲座挂一漏万 朗道理论物理教程4/10 电动力学(狭义相对论,2020跨年) 量子电动力学 15 磁好把握 几个“电”概念的关键年份电在磁后， Electricity(电).英国物理学家WilliamGilbert(1605-1682)1600年在著作DeMagnete(论磁)中基于拉丁语electrum(amber,树脂，琥珀)创造了现代拉丁语词electricus(resemblingelectrum). Electric(电的).1640年代，生理学家ThomasBrowne(1605-1682)使用了electric这个英语形式，意为‘如同琥珀的’。 Electrodynamics(电-动力学).1826年，法国物理学家安培(André-MarieAmpère， 1775–1836)创造了法语词electrodynamique. Electron(电子).1891年爱尔兰物理学家GeoergeJ.Stoney(1826-1911)基于electric 造了这个词,electric+on；1897年发现. QuantumElectrodynamics(量子电-动力学).1927年，英国狄拉克(P.A.M.Dirac) 电磁学/电动力学人物 1.牧羊人Magnes,Thales 2.Gilbert，Franklin,McCullagh? 3.Oersted 4.Coulomb，Ampère，Biot-Savoir 5.Gauss,Weber,Kirchhoff 6.Henry,Mossetti,Volta 7.Faraday;Ohm,Joule,LordKelvin 电磁学的数学 人名作为电磁学单位 1.Coulomb 2.Ampère， 3.Oersted 4.Volta 5.Gauss,Tesla 8.Poisson,Hamilton,Grassmann,Maxwell,Clifford,Tait,Heaviside,Green,Neumann,Riemann,Voigt 9.Lorentz，Lorenz，Lenz 10.Hertz(EmilCohn?) 11.J.J.Thomson,Poincaré,Einstein 12.Pauli，Dirac,Jordan 13.Schwinger，Feynman，Tomonaga,Dyson 6.Weber 7.Henry 8.Faraday 9.Ohm 10.Joule 11.Hertz 12.Siemens Themostincomprehensiblethingabouttheuniverseisthatitiscomprehensible. —AlbertEinstein,PhysicsandReality,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 如果发展不出电磁学，那人类才对不起造物呢！ ElectricityisaPhysicalPhenomenon Physicalphenomenon:自然现象 注：Physis，自然；Nature，生产 雷電(thunder/lightning):短时、猛烈，我们不知道它是什么。 2750BCE埃及，尼罗雷神“ThundereroftheNile” anddescribedthemasthe"protectors"ofallotherfish.给你特殊的感受 ElectricRay,电射线？ No，weare电鳐，一种fish。Torpedo,不是鱼雷，那是电鯆. ~1773年,卡文迪许(1731-1810)认为 electricray使用了电(electricity). Marbledelectricray. 产于墨西哥湾的Lesserelectricray ElectricityisaPhysicalPhenomenon ElectricfisharereportedbyArabicnaturalists 电鳗能干翻鳄鱼 电鳗的名称是后来的，不知道当年叫啥电压:0~600V 电流密度：0.5A/𝑚2 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？”21 电有极！ Stargazer,仰望星空者？ 你才仰望星空呢，你们一宿舍都仰望星空。 这是电鰧，是电瓶的祖先。 牛角梳？ 当琥珀(electron)遇到了毛皮 电是一种自然现象 23 当琥珀(electron)遇到了毛皮、绸缎 Chargedwithelectricity,withelectriccharge 琥珀仿佛带上了(chargedwith)什么 琥珀~ἤλεκτρον(electron) 树脂(resin)， 琥珀(amber)isfossilresin 松香(rosin)umbrella 时时勤拂拭容易惹尘埃 ElectraandOrestesἤλεκτρον(electron) Electra(shining,thebeamingsun,amber),其兄为Orestes(Mountaineer),他们是Agamemnon和Clytaemnestra的儿女,他们合伙谋杀了母亲Clytaemnestra Electra后来被演化出了“电”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？ ElectraandOrestes Electrum(ἤλεκτρον) Electrum,金银合金 可能是和Amber一样软乎 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. ElectrotypeofelectrumcoinfromEphesus,625–600BC.ΦΑΝΕΟΣΕΜΙΣΕΜΑ(retrograde,“IamthebadgeofPhanes”). Electrotype,电铸版(板)？模压版