麦克斯韦方程组
物理学方程组 / 维基百科,自由的 encyclopedia
马克士威方程组(英语:Maxwell's equations),或称马克士威-黑维塞方程组(英语:Maxwell-Heaviside equations)[1],是一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。该方程组由四个方程式组成,分别是描述电荷如何产生电场的高斯定律、表明磁单极子不存在的高斯磁定律、解释时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律,以及说明电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律。马克士威方程组是因英国物理学家詹姆斯·马克士威而命名[注 1]。马克士威在19世纪60年代构想出这方程组的早期形式。[2]
在不同的领域会使用到不同形式的马克士威方程组。例如,在高能物理学与引力物理学里,通常会用到时空表述的马克士威方程组版本。这种表述建立于结合时间与空间在一起的爱因斯坦时空概念,而不是三维空间与第四维时间各自独立展现的牛顿绝对时空概念。[3]:1ff爱因斯坦的时空表述明显地符合狭义相对论与广义相对论。[注 2]在量子力学里,基于电势与磁势的马克士威方程组版本比较获人们青睐。[4]:33
自从20世纪中期以来,物理学者已明白马克士威方程组不是精确规律,精确的描述需要借助更能显示背后物理基础的量子电动力学理论,而马克士威方程组只是它的一种经典场论近似。尽管如此,对于大多数日常生活中涉及的案例,通过马克士威方程组计算获得的解答跟精确解答的分歧甚为微小。而对于非经典光、双光子散射、量子光学与许多其它与光子或虚光子相关的现象,马克士威方程组不能给出接近实际情况的解答。[4]:1[5]:9-13
从马克士威方程组,可以推论出光波是电磁波。马克士威方程组和劳仑兹力方程式是经典电磁学的基础方程式。得益于这一组基础方程式以及相关理论,许多现代的电力科技与电子科技得以被发明并快速发展。