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陈刚导师研讨课——电磁学中的科学家故事
发布时间:2019-10-29        浏览次数:137

陈刚导师研讨课——电磁学中的科学家故事

如果有人宣称,一块黑乎乎的磁铁和光有联系,放在几百年前,他可能会在众人的哄笑中颜面尽失,但在这两百多年中陆续搭建起来的电磁学大厦,让这一看似荒诞的联系成为了现实。电磁学是如何发展起来的?发生过哪些跌宕起伏的故事?科学家们又是如何一步步站在更高的巨人肩膀上的?陈刚老师借着这些疑惑,为我们展开了电磁学的发展历史和其中的人物画卷。



电磁学由从一种看不见摸不着的物质——电荷。自然界造物时似乎害怕孤独,什么都要成双成对。库伦最早发现电荷时也不例外,有两种性质完全相反的电荷,被冠名正、负,两种电荷互斥。

事物皆有其源,电荷由何而来?密立根发现秘密藏在电子里,他孜孜不倦在悬浮的油滴中寻找答案,历史上著名的密里根油滴实验中,他确定了电荷的最小单位。

讲到这里,陈刚老师揭了揭密里根的“短”:作为一个科研从业者,他在做实验时没能完整的保留数据,而是挑出一些“好”数据去进行验证,虽然最后得出了伟大的发现,但这种行为在科学界是糟糕的榜样。科研需要严谨,即使是有问题的数据,也应该保留,留下完整的实验过程留给后行者做参考。或许这些糟糕的数据是甲之砒霜,但谁能否定他不会是乙之蜜糖?

通过这个例子,老师循循善诱,让大家引以为戒,培养出正确的科研习惯。



随后陈刚老师又继续讲到电磁学的发展。

欧姆又在大量的实验后总结除了欧姆定律,这是一种实验定律, 虽然不够严谨,但对电学的发展起到重大地推动作用。

在这一时期,用于描述电场和磁场的数学工具也在不断完善,天才高斯、斯托克斯、拉普拉斯、泊松等等,推导了高斯定理、斯托克斯定理、拉普拉斯方程、泊松方程等,为电磁学后续的发展提供了有力的数学工具。

到现在为止,电与磁仍是分离电关系。而第一次将他们联想起来电天才叫做奥斯特。作为一位教授,他不仅仅教电学,还对磁学还有了解。电和磁可能有联系的念头紧紧缠绕着他,他决心在课堂上做实验,将通电线圈放在磁针旁边,在经历了一些失败后发现平行放置时小磁针竟然发生了转动!一项改变人类历史的发现就在这样“跌跌撞撞”中产生了!

但老师告诫我们,每一个看似巧合的发现都离不开个人的积累,如果奥斯特没有电学和磁学的知识储备,他断然不会费心费力去做这样的实验的。

除了这个产生磁场的实验,还需要明确电流和磁场的数学关系,而安培定则填补了这一空白。安培是贵族出身,从小就热爱科学,他的父亲没有他上私立学校,而是专门给他请了一位教师教科学。因为从小培养的兴趣,安培极其痴迷科学。有一段佳话,他曾经走在路上突然出现灵感,随手在旁边的东西上写了起来,在演算时这块“黑板”动了起来,往前飞速移动,他只好边追边写,原来那是一块马车背后的屏风!

这样的科学热爱者想不取得成就都难,安培发现了电流产生磁场的规律,称为安培定则。虽然从现在的眼光来看,安培定则不够完备,有一项位移电流未被囊括其中,但在当时的历史条件下,这依然是伟大的发现。

从此,电和磁终于联系起来了。既然电能生磁,当然会有人想到它的反面——磁如何生电呢?

PPT转向下一页,又一个重要人物,法拉第登场了。

和那个年代的很多科学家不同,法拉第家境贫寒,人生充满了励志。他们家在伦敦附近,他很小就去打工,去了一个装订书的铺子,开始利用空闲时间阅读各种书籍,大大开拓了眼界。而当时英国为了宣扬自己的科学发现,经常做一些公众科普。有一次化学家戴维做科普时,法拉第坐第一排,还记了厚厚的笔记,结束时给戴维看,给对方留下了深刻的印象。戴维后来有一次做一个危险实验时炸瞎了助手的眼睛,需要新的助手,他第一个想到的就是法拉第。而法拉第也跟着戴维开始了自己的科学之路。

陈刚老师感慨道,法拉第是他最喜欢的科学家之一,他告诉我们,只要坚持做自己喜欢的,觉得对的东西,像张益唐、法拉第,无论富贵贫贱,都能实现伟大的成就。

陈刚老师又回忆起了自己高考时,那年高考泄题,用了备用试卷,95届,题目都出错了,最后去了化学系。但大学学了一年后,觉得化学并不符合自己的兴趣,转去了物理系,如今一直坚持在自己喜欢的领域。

法拉第因为跟着化学家戴维做了很多实验,也对电学了解,开创了电化学。因为自身资质愚钝,数学功底差,法拉第会把问题转化为特别简单的方式理解,想方设法图像化,最后发现了电磁感应,还发明了磁力线。因为电磁感应,现代电子信息行业的根本——电,也能从发电机中源源不断产生。

陈刚老师还补充道,为了让大众接触科学,他还开创了法拉第论坛,这个论坛到现在(195届)依然存在。在欧美,大家在科学上的争论很激烈,指出他人的错误毫不留情,在论坛上的气氛就能看出来,但在中国大家讲人情,不愿意揭露别人的纰漏,对科学的发展极其不利。

最后,重大的发现往往需要一个整理者,历史等来了电磁学的集大成者——麦克斯韦。

麦克斯韦本身就是天才,从小就很聪明。在他之前,电磁学都还很零碎,有各种定理和定律,却没有一个统一的数学表达,而学霸的特质之一就是擅长总结,麦克斯韦把库伦、高斯、安培等定理集中到一起后发现了其中的规律,他是电磁学的归纳总结者,证明了电和磁是同一个东西,而且预测了电磁波的存在。预测出的电磁波的速度和光相同,但他几乎不敢做出这个假设,他不敢发表自己的看法,担心自己做出错误的判断。这也引起了大家深刻的思考。



最后,研讨会在大家的掌声中结束了,但物理学的探索,新现象、新理论的发现和提出者却还在不断延续、涌现。