射頻人必知必會——電磁波發現之旅
移動通信中信息的傳輸離不開電磁波，然而我們對電磁波的認知也僅僅兩百年，我們今天一起來看一下電磁波的發現之旅。
No.1 什么是電磁波？
百度百科給的定義：電磁波是由同向且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。
No.2 電和磁的平行時代
那我們知道，電磁波是一種客觀存在的物質形態，不以人的主觀意志來改變的一種真是的物質，是波的一種。為什么很難被發現呢？主要是因為它的不可見，不可感覺。人們總是對能感覺到的東西比較感興趣，發現也比較早，比如光波，比如聲波。然而電磁波卻無聲無息，無色無味。但是它卻客觀存在。
人們在很早很早的時候，就發現了磁，黃帝時代就有了指南車。很早很早的時候發現了電，古希臘人利用毛皮摩擦琥珀發現了電，還有自然界中的閃電。但長久以來，電和磁作為兩種物質形態存在，近乎平行線的發展，似乎永遠沒有交集。
那么為什么電和磁能夠分別被發現呢？答案還是因為人的感官，人能夠看到小磁針的旋轉，也能夠看到閃電的火光。
在西方，關于磁的研究則首推英國醫生吉爾伯特，正是他的工作使整個磁學由經驗轉變為科學。看來世界真是由不務正業的人推動前進的。1600年出版的《論磁》，通過詳盡的實驗來檢驗復雜的磁理論。關于吉爾伯特的介紹，請移步今日推出的《吉爾伯特與論磁》查看閱讀。
作為平行線的另一條線----電。盡管人們很早很早就發現了閃電，也發現了日常生活中的電現象：比如梳子梳頭之后能夠吸引碎紙屑。但是真正里程碑的研究成果是富蘭克林的風箏實驗。（請勿模仿，外國人人少是有原因的）
富蘭克林的故事，請移步今天的另一條推文《牛人富蘭克林》。
富蘭克林通過實驗得出：
電荷分為正電荷和負電荷。
摩擦起電的過程中，形成等量的異種電荷，且一方失去的電荷等于另一方得到的電荷；
電荷守恒，即電荷即不能被創生，也不會被消滅，只能從一個帶電物體轉移到另一個帶電物體，且總量保持不變；
1800年之后，由于各種機緣巧合，電和磁從兩個平行的發展軌跡慢慢走向交叉，攜手前進。當電磁波一旦被發現，他所爆發的巨大威力是此前無法想象的。人類首先在電磁波內加入了自己需要的信息----電報發明出來了。后來人類掌握了控制電子的技術，于是發明了半導體，直至芯片，由此電視，電話，計算機乃至無線電技術，一個誰都無法控制的信息時代正如海嘯，波濤洶涌撲面而來。在5G時代，智能時代，電磁波的應用將會更加廣泛深入。
電和磁交匯的第一件大事是丹麥哥本哈根大學教授奧斯特于1820年7月發布的一個細小的發現：在電流線周圍，小磁針發生了環形偏轉。
任何偉大的發明都是在不經意間完成，像牛頓的蘋果，弗萊明的青霉素。但是，其實這種現象很多人可能都遇到過，但是幸運女神只眷顧一個有準備的人。正由于對實驗結果的不可思議，奧斯特本人特別小心謹慎，從1820年4月到7月之間反反復復做了60多次的實驗，其中包括用紙片擱置在電流和小磁針之間，企圖阻斷他們之間存在的這種神秘的力，都為獲得成功。最終在1820年7月21日，奧斯特發表了《關于磁針與電流“碰撞”的實驗》這篇著名論文。
奧斯特實驗的重要意義是發現了電可以產生磁，由此徹底結束了電與磁分裂的局面。電和磁兩者第一次在奧斯特的實驗中相遇。值得注意的是，這一工作之所以出現在1800年之后，還有一個不可忽視的原因：在這一時期，人們才掌握大功率電源技術，能夠產生足夠強大的電流，以使其比地球磁場大得多，由此也可以看出生產力對于科學發展的刺激和影響。
那時候的中國還處于第一次鴉片戰爭前夕，康乾盛世末期。所以對于現代科學的起步，我們只能一聲嘆息。愿吾輩努力，不再落后。
我們莫小看這個小小的“偏轉”，它與法拉第關于電磁領域的深邃思考密切相關，由于這一改進，20世紀最重要的物理學概念之一---“場”凸顯出來了，而奧斯特卻與它擦肩而過。有時候真的，遺憾與幸運并存。在法拉第的頭腦中，電流所產生的是磁場，它在電流周圍的空間四處彌漫。接著，法拉第進一步提出了先進的場力線的概念。
法拉第毫不怠懈，他反復思考：既然電能夠產生磁，那么為什么磁不能產生電呢？他的思想深刻而簡單，他的實驗奇妙而直接：即希望有磁鐵構成的回路中產生電流。從1821年到1831年，在法拉第人生最富有創造力的十年（30歲到40歲），經歷了無數的失敗。突然有一次他們磁鐵向空氣線圈猛然一插，竟然使電流表的指針發生了偏轉，從而發明了磁的時間變化可以產生電。
所以，研發的兄弟，不要怕失敗，不要怕bug，任何一個細小的突破都可能改變你對現有技術的認知。
后人把奧斯特和法拉第的工作總結為如下兩個方程：
至此，電和磁終于實現了第一次握手——電可以產生磁，而磁又可以產生電。
第三件大事無疑是天才麥克斯韋的出現。天才麥克斯韋十歲進入中學，16歲進入大學，19歲轉入劍橋大學，23歲畢業不久即當選教授。一個命運巧合的是，麥克斯韋的出生與法拉第的實驗剛好是同一年--1831年。
扎實的物理基礎和對事業的非凡熱愛促使麥克斯韋有一個宏大的心愿——把法拉第的場概念和思想精確化，數學化。
1860年，29歲的麥克斯韋帶著初步成果《論Faraday的力線》，拜見了年近古稀的法拉第，后者對于麥克斯韋大加贊賞，法拉第說：我不認為自己的學說一定是真理，但你時真正理解她的人。并進一步鼓勵麥克斯韋：這是一篇出色的文章，但你不應該停留在用數學來解釋我的觀點，而應該突破它。
我們在享用前輩們的成果的時候，更要去感謝他們的偉大，他們的無私奉獻。
另一方面，作為數學文化底蘊不深的法拉第，一輩子從事科學實驗的法拉第，也不無擔心的提出了他的擔憂：生怕數學掩蓋了電磁的物理實質。事實證明，麥克斯韋不僅沒有辜負法拉第的期望，而且真正的把電磁推向了理論高峰。
上面所說的麥克斯韋真正理解法拉第，其內在含義極其深刻：
法拉第把電和磁放到全部空間去研究，并引入了場和力線的概念，這就為數學表達提供了施展本領的廣闊舞臺——旋度
，散度
和梯度
等空間變化的函數的引入就成為必然。場看不見摸不著，但卻是在潛移默化中起關鍵左右。
法拉第首次提出在電磁領域，電和磁構成一對矛盾體，且有矛盾轉化，即電可以產生磁，磁也可以產生電。顯然，他使電磁物理登上了新的高度。
法拉第第一次否定了中心力，取而代之的使電磁力的相互轉化。眾所周知，力學中萬有引力就屬于典型的中心力，但電磁轉化則是環形相套。（注：詳細信息請查閱“相對論前夜：牛頓和麥克斯韋的戰爭”）
如果說麥克斯韋只是簡單的把法拉利，奧斯特，安培的發現總結出數學公式，那遠遠不足以證明其偉大。如果這樣就可以的話，我也可以彪炳千古。
麥克斯韋最偉大的發現是他發現了位移電流
，或者說他發明了位移電流。即麥克斯韋方程組，方程式4中的。
麥克斯韋作為一個才華橫溢的青年學者，他所做的不僅僅是真正理解和吸收法拉第思想的精華，而且取得了重大突破。麥克斯韋說過：從歐幾里得的直線到法拉第的力線，這是使科學得以向前推進的一些思想的特征。麥克斯韋首先發現了安培和法拉第的轉化完全不對稱。
簡而言之，安培是源（電流J）產生磁場，而法拉第則是場的變化產生場。很可能正是由于麥克斯韋細心而深刻的比較，使他發現了電容電路中電流的不連續性——外電路有電流，而電容中卻沒有電流。
于是，麥克斯韋由此提出了嶄新的位移電流設想，即磁場的旋度除了對應傳導電流密度外，還有位移電流密度，唯有這樣，才能保證電流的連續性定理：
其中位移電流
進而：
相應的麥克斯韋方程組最重要的兩個方程得出：
他們真正構成了時間與空間的雙向變化，前面所提及的法拉第的擔憂完全成了多余。麥克斯韋所推到出的電磁規律——麥克斯韋方程組不僅準確統一的表述了奧斯特，安培，法拉第和高斯等提出的實驗定律，而且有了全面系統的升華和提高。
麥克斯韋方程組的重要意義在于：
提出了位移電流之后所構成的麥克斯韋方程組清楚的表明：有電場可以轉化為磁場，由磁場也可以轉化為電場，并且實現了時間變化和空間變化的相互轉化統一。
正是電場和磁場之間的相互轉化，時間和空間的相互轉化產生了電磁波的堅實基礎，電場和磁場在空間和時間上環環相扣，可以脫離介質傳播，也實現了電磁波和光的統一。
麥克斯韋正式預言了電磁波，并且指出了電磁波的速度即使光速——很自然的會產生光與電磁波的統一學說。
特別是麥克斯韋充分發揮他的數學專長，由無源條件下推導出了波動方程：
麥克斯韋只是預言了電磁波的存在，但是證實電磁波的真實存在卻落在了一個德國青年物理學家的身上——赫茲。至此，電磁學三巨頭終于到位，影響歷史的關鍵時刻就要到來。
從1886年到1888年間，赫茲做了一系列的實驗產生電磁波，并且證明了電磁波與光完全相似，有反射，折射，繞射和偏振極化等重要特性。
站在巨人的肩膀上的現代人看來，赫茲實驗僅僅是簡單的LC振蕩電路和極盡的電火花通信，這完全不足為奇。但是，在當時卻轟動了學術界：因為正是這一實驗用事實證明了麥克斯韋的偉大預言。至此，人們不僅預言了電磁波，最終還發現了電磁波。
人類進入無線時代。
隨著5G的建設，人類將進入萬物互聯的智能時代。感恩前輩們的奉獻。
那么至此，電磁波發現之旅是否已經完結？No，麥克斯韋方程的不對稱性依然存在，像一塊心病困擾無數科學家——磁荷和磁流——是否真的存在？如果真的存在，那又會如何的改變我們的生活...
