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现代电磁场理论在麦克斯韦方程后有没有新的革命性发展?

【时晓龙的回答(68票)】:

谢谢邀请。

以下是我个人的一些看法。

继麦克斯韦方程提出后,现代电磁场理论发展主要分两块,一块是基于量子光学,另一块是基于经典光学。

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先说量子光学,这是完全新的领域,当把光量子化之后,出现很多很反直觉的现象,这是现代光学发展最有趣也最有前景的一个方向,比如量子通信,潘建伟院士就是研究这个方向的。但是,这个方向我也不是很了解,希望以后能朝这个方向发展。

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但是,就算基于经典光学,仍然有很多有意思的东西出现,比如光子晶体,超材料,超表面,拓扑绝缘体,非线性材料等等。

如果说,麦克斯韦画了一个圈告诉人们,电磁波的性质就被限制在这个圈里,但是这个圈仍然是一个无限大的圈,仍然有无穷的可能性。

就比如说,麦克斯韦创造了c语言,他提出了c语言里面一些基本的语句,但是c语言里面涉及到的算法,及各种复杂的应用,这仍然有很多发掘的空间。

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就我所在领域来说,这是近三十年来才发展起来的全新领域。麦克斯韦方程虽然告诉人们,什么样的电磁参数可以怎么控制电磁波。但是很多参数是现实中没有直接存在,如何实现它们,这是需要理论去支撑。

光子晶体大概是90年代提出来的,它引入了凝聚态物理的一些东西,发现周期排列的结构能够产生类似晶体里面的能带特性。

后来人们思考一种亚波长的结构是否可以用一些宏观的电磁参数来代替,于是就有了超材料。超材料的出现,人们可以实现很多的电磁参数,比如负折射率,零折射率,无穷大折射率,各向异性折射率,手性材料等等。

其中由于可以实现各种各向异性材料,于是就有了变换光学的出现。

变换光学又导致了隐身衣的出现。

超材料又导致了超表面的出现,并拓展了snell定理。

光子晶体

超材料

超表面

隐身衣

从电磁材料的发展规律来说,最开始研究的是各向同性的介质材料,后来开始研究各向同性的折射率为负、零、或者无穷大的材料,然后开始研究各向异性的材料,接着是手性的材料,最近又发展到了非互易材料,包括最近大热的拓扑绝缘体。

拓扑绝缘体

所以从材料角度来说,电磁参数矩阵从一个常数,变到了一个张量,又变成了一个非对称的张量。材料参数也从单一的介电常数,到磁导率,再到各种表征电磁波材料的其它参数,比如表征手性的参数,表征非线性的参数,等等。

另外现代的各个学科绝对不是彼此割裂的,各个学科都会相互借鉴,就比如光学从凝聚态借鉴概念,声学又从光学借鉴概念。有时候学科之间的交叉,不是单单麦克斯韦方程就能够统领的。

所以麦克斯韦给出了电磁场理论的几块基石,但是构建电磁波大厦的不仅仅就是几块基石就可以了,它还需要水泥,柱子,瓦片等等。

当然你们老师是做工程的,工程上的东西,现在确实比较成熟了,所以他觉得没有很多东西可以研究,这也是他个人的看法吧。在量子力学、相对论提出之前,很多大牛还以为,以后的科学发展就是给牛顿力学缝缝补补呢。

【樊辅哲的回答(1票)】:

牛顿、麦克斯韦也都主要是总结前人的成果而已,牛顿之前已经有了行星运动定律,麦克斯韦方程中的法拉第电磁感应定律等都是前人的成果。科学不是跃进式发展的,这样的评价是很不合理的。

麦克斯韦方程形式上非常简洁,但是求解电磁场边值问题是非常困难的,近几十年来,计算电磁学算法的发展一点不亚于以摩尔定律方式发展的计算机硬件,比如被评为20世纪最重要的十大算法之一的快速多极子算法引入计算电磁学,F22等第五代隐形战斗机可以用计算机做直接基于麦克斯韦方程的全波仿真优化,甚至可以与气动外形同时优化,而最初外形怪异的F117战斗机是用的近似程度非常大的几何光学方法,气动性能非常差,根本不具备空中格斗能力。

现在包含电磁场的多物理场仿真仍然是最前沿的课题,比如人类未来终极能源--可控核聚变,如何用磁场约束聚变等离子体,实现稳定的能量输出,这个大概是人类最迫切想解决的一个电磁场多物理场边值问题,估计还需要50年才能搞定吧。

这样轻佻的评价,对于一个IEEE fellow而言有失身份,很容易误导像题主这样刚入门的人,这一学科仍然任重而道远,与所有同行共勉吧。

【Cheer的回答(1票)】:

qed

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