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赫兹验证电磁波,马可尼发明电报啥的就不说了,提一个人物,Oliver Heaviside。此君简化了Maxwell发表的方程(30个。。)我们今天学到的Maxwell Equation其实出自此君之手。简化的方程推广起来很方便。到了二战期间,一大批美国的物理学精英放下手中的量子力学,粒子物理转而设计雷达、波导。其中比较有名的是施温格(和费曼一起获诺奖的那位)由于这批精英的投入,加上战时的高效研究。电磁方程的特殊解被发掘到了极致。到了40年代末,电磁的圈子有一个共识:能解出来的情况都解完了。
但在这时,人类发明了计算机。战后,一批物理学家开始着手构建电磁学的计算方法。分两拨,一拨借鉴力学引入有限元,另一拨(由Roger Harrington牵头)发明了矩量法。一开始两种算法都带来很多数值误差(边界电荷问题)。所有人一筹莫展。一直到出现了RWG基函数,整个计算电磁学的面貌就变了。很快基于有限元和矩量法的计算软件相继出现,电磁仿真趋于成熟。
另外在60年代,Yee另辟蹊径发明了FDTD算法。70年代开始,一批工程背景的researcher着手研究各种天线。之前在物理的圈子里不看好的设计都被拿出来研究,并得到新的结果。螺旋天线,微带天线,分形天线开始出现在人们的视野中。90年代,电磁技术日趋完善,无线应用越来越多,串扰问题变得突出,于是出现了一个新的电磁学分支:电磁兼容。进入21世纪,新材料的研究开始和电磁结合。metamaterial,等离子体的电磁特性(负permitivity)给电磁学提出了很多新问题。同时,人们研究的频谱越来越宽,THz器件出现。现在,一个普遍的趋势认为电磁本身的算法已经成熟,一批电磁专家开始往多物理仿真探索(multiphysics)所以你看,Maxwell后的电磁学发展不是一两个方程,或是几句话能概括的。电磁应用无处不在,发展的方向很远。
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一个简单的模型,如上,每个节点由一个谐振腔构成,谐振腔里面有一个原子,由于腔的*,腔内的电磁波的模式是离散的,通过一些量子化手段,可以计算出腔内的光子数,这时候光就量子化了,整个系统就变成了原子与光子的相互作用,这与经典的电磁场有着本质的区别,表现出来很多反直觉的物理现象。这也是量子计算机的一个基础。
研究电磁波的另外一个思路是向上走与凝聚态物理相结合,把一些费米子体系转移到玻色子,比如拓扑绝缘体,weyl point等等。
在经典体系里面,所有的问题似乎都只是工程问题了,但是如果向上与凝聚态物理和量子理论相结合,你会发现其中的物理的深刻和神奇。
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经典电磁场理论的基础是麦克斯韦方程组(Maxwell's equations),它是经典电动力学(Classical electromagnetism)的理论基石。该理论创始于 19 世纪,它可以解释所有宏观的电磁现象。然而,后来发现这套理论并不适用于电磁场的粒子性与电子的波动性都非常显著的微观世界(详见 Wave-particle ality),一个经典的案例就是光电效应(Photoelectric effect)。并且经典电动力学也无法解释真实世界中原子(Atom)的稳定性。
为了解释微观世界的电磁相互作用, 20 世纪 40 年代,物理学家创立了量子电动力学(Quantum electrodynamics)与量子场论(Quantum field theory)。