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詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

 jfsrvg 2015-05-09
人物概述
詹姆斯·麥克斯韋(James Clerk Maxwell),1831年6月13日-1879年11月5日)詹姆斯·麥克斯韋 James Clerk Maxwell,
1831年6月13日-1879年11月5日.
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋,偉大的英國物理學(xué)家,他由于列出了表達(dá)電磁基本定律的四元方程組而聞名于世,在麥克斯韋以前的許多年間,人們就對電和磁這兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究,人們都知道這兩者是密切相關(guān)的。適用于特定場合的各種電磁定律已被發(fā)現(xiàn),但是在麥克斯韋之前卻沒有形成完整、統(tǒng)一的學(xué)說。麥克斯韋用列出的簡短四元方程組(但卻非常復(fù)雜),就可以準(zhǔn)確地描繪出電磁場的特性及其相互作用的關(guān)系。麥克斯韋的主要貢獻(xiàn)是建立了麥克斯韋方程組,創(chuàng)立了經(jīng)典電動力學(xué),并且預(yù)言了電磁波的存在,提出了光的電磁說。麥克斯韋是電磁學(xué)理論的集大成者。他出生于電磁學(xué)理論奠基人法拉第提出電磁感應(yīng)定理的1831年,后來又與法拉第結(jié)成忘年之交,共同構(gòu)筑了電磁學(xué)理論的科學(xué)體系。物理學(xué)歷史上認(rèn)為牛頓的經(jīng)典力學(xué)打開了機(jī)械時(shí)代的大門,而麥克斯韋電磁學(xué)理論則為電器時(shí)代奠定了基石。1931年,愛因斯坦在麥克斯韋百年誕辰的紀(jì)念會上,評價(jià)其建樹“是牛頓以來,物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作?!?
主要簡歷

1831年11月13日生于蘇格蘭的愛丁堡,自幼聰穎,父親是個(gè)知識淵博的律師,使麥克斯韋從小受到良好的教育。10歲時(shí)進(jìn)入愛丁堡中學(xué)學(xué)習(xí)14歲就在愛丁堡皇家學(xué)會會刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問題的論文,已顯露出出眾的才華。1847年進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理。1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí),1854年以第二名的成績獲史密斯獎(jiǎng)學(xué)金,畢業(yè)留校任職兩年。1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳任自然哲學(xué)教授。1860年到倫敦國王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授。1861年選為倫敦皇家學(xué)會會員。1865年春辭去教職回到家鄉(xiāng)系統(tǒng)地總結(jié)他的關(guān)于電磁學(xué)的研究成果,完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著《論電和磁》,并于1873年出版,1871年受聘為劍橋大學(xué)新設(shè)立的卡文迪什試驗(yàn)物理學(xué)教授,負(fù)責(zé)籌建著名的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室,1874年建成后擔(dān)任這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的第一任主任,直到1879年11月5日在劍橋逝世。

科學(xué)研究
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋拍攝的世界上第一張彩色照片。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 1861年拍攝的
世界上第一張彩色照片。
麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究。尤其是他建立的電磁場理論,將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來,是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果,是科學(xué)史上最偉大的綜合之一。他預(yù)言了電磁波的存在。這種理論遇見后來得到了充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他為物理學(xué)樹起了一座豐碑。造福于人類的無線電技術(shù),就是以電磁場理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。麥克斯韋大約于1855年開始研究電磁學(xué),在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思想之后,堅(jiān)信法拉第的新理論包含著真理。于是他抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望,決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來。他在前人成就的基礎(chǔ)上,對整個(gè)電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究,憑借他高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力接連發(fā)表了電磁場理論的三篇論文:《論法拉第的力線》(1855年12月至1856年2月);《論物理的力線》(1861至1862年);《電磁場的動力學(xué)理論》(1864年12月8日)。對前和他自己的工作進(jìn)行了綜合概括,將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數(shù)學(xué)形式表示出來,經(jīng)后人整理和改寫,成為經(jīng)典電動力學(xué)主要基礎(chǔ)的麥克斯韋方程組。據(jù)此,1865年他預(yù)言了電磁波的存在,電磁波只可能是橫波,并計(jì)算了電磁波的傳播速度等于光速,同時(shí)得出結(jié)論:光是電磁波的一種形式,揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系。1888年德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在。

麥克斯韋于1873年出版了科學(xué)名著《電磁理論》。系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論。這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一。在熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面麥克斯韋也作出了重要貢獻(xiàn),他是氣體動理論的創(chuàng)始人之一。1859年他首次用統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出麥克斯韋速度分布律,從而找到了由微觀兩求統(tǒng)計(jì)平均值的更確切的途徑。1866年他給出了分子按速度的分布函數(shù)的新推導(dǎo)方法,這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎(chǔ)的。他引入了馳豫時(shí)間的概念,發(fā)展了一般形式的輸運(yùn)理論,并把它應(yīng)用于擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)和氣體內(nèi)摩擦過程。1867年引入了“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”這個(gè)術(shù)語。麥克斯韋是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析物理問題和精確地表述科學(xué)思想的大師,他非常重視實(shí)驗(yàn),由他負(fù)責(zé)建立起來的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室,在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下,發(fā)展成為舉世聞名的學(xué)術(shù)中心之一。


家庭環(huán)境
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和他的妻子。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和他的妻子。
麥克斯韋的父親約翰是一名不隨流俗的機(jī)械設(shè)計(jì)師,他對麥克斯韋的影響非常大。他是長老會教友,但思路開闊,思想敏銳,講求實(shí)際,特別能干。家里的事情,不分巨細(xì),他都料理得很好。修繕房屋,打掃庭院,給孩子們制做玩具,乃至裁剪衣服,他樣樣都能勝任。1847年,麥克斯韋16歲,中學(xué)畢業(yè),進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)。這里是蘇格蘭的最高學(xué)府。他是班上年紀(jì)最小的學(xué)生,但考試成績卻總是名列前茅。他在這里專攻數(shù)學(xué)物理,并且顯示出非凡的才華。他讀書非常用功,但并非死讀,在學(xué)習(xí)之余他仍然寫詩,不知滿足地讀課外書,積累了相當(dāng)廣泛的知識。
 

在愛丁堡大學(xué),麥克斯韋獲得了攀登科學(xué)高峰所必備的基礎(chǔ)訓(xùn)練。其中兩個(gè)人對他影響最深,一是物理學(xué)家和登山家福布斯,一是邏輯學(xué)和形而上學(xué)教授哈密頓。福布斯是一個(gè)實(shí)驗(yàn)家,他培養(yǎng)了麥克斯韋對實(shí)驗(yàn)技術(shù)的濃厚興趣,一個(gè)從事理論物理的人很難有這種興趣。他強(qiáng)制麥克斯韋寫作要條理清楚,并把自己對科學(xué)史的愛好傳給麥克斯韋。哈密頓教授則用廣博的學(xué)識影響著他,并用出色的怪異的批評能力刺激麥克斯韋去研究基礎(chǔ)問題。在這些有真才實(shí)學(xué)的人的影響下,加上麥克斯韋個(gè)人的天才和努力,麥克斯韋的學(xué)識一天天進(jìn)步,他用三年時(shí)間就完成了四年的學(xué)業(yè),相形之下,愛丁堡大學(xué)這個(gè)搖籃已經(jīng)不能滿足麥克斯韋的求知欲。為了進(jìn)一步深造,1850年,他征得了父親的同意,離開愛丁堡,到人才濟(jì)濟(jì)的劍橋去求學(xué)。

赫茲是德國的一位青年物理學(xué)家。麥克斯韋的《電磁學(xué)通論》發(fā)表之時(shí),他只16歲。在當(dāng)時(shí)的德國,人們依然固守著牛頓的傳統(tǒng)物理學(xué)觀念,法拉第、麥克斯韋的理論對物質(zhì)世界進(jìn)行了嶄新的描繪,但是違背了傳統(tǒng),因此在德國等歐洲中心地帶毫無立足之地,甚而被當(dāng)成奇談怪論。當(dāng)時(shí)支持電磁理論研究的,只有波爾茨曼和赫爾姆霍茨。赫茲后來成了赫姆霍茨的學(xué)生。在老師的影響下,赫茲對電磁學(xué)進(jìn)行了深入的研究,在進(jìn)行了物理事實(shí)的比較后,他確認(rèn),麥克斯韋的理論比傳統(tǒng)的“超距理論”更令人信服。于是他決定用實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這一點(diǎn)。1886年,赫茲經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),發(fā)明了一種電波環(huán),用這種電波環(huán)作了一系列的實(shí)驗(yàn),終于在1888年發(fā)現(xiàn)了人們懷疑和期待已久的電磁波。赫茲的實(shí)驗(yàn)公布后,轟動了全世界的科學(xué)界,由法拉第開創(chuàng)、麥克斯韋總結(jié)的電磁理論,至此取得了決定性的勝利。麥克斯韋的偉大遺愿終于實(shí)現(xiàn)了。

土星光環(huán)

早在1787年,拉普拉斯進(jìn)行過把土星光環(huán)作為固體研究的計(jì)算。當(dāng)時(shí)他曾確定,土星光環(huán)作為一個(gè)均勻的剛性環(huán),它不會瓦解的原因要滿足兩個(gè)條件,一是它以一種使離心力與土星引力相平衡的速度運(yùn)轉(zhuǎn),二是光環(huán)的密度與土星的密度之比超過臨界值0.8,從而使環(huán)的內(nèi)層與外層之間的引力超過在不同半徑處離心力與萬有引力之差。他之所以有如此推論,是因?yàn)椋粋€(gè)均勻環(huán)的運(yùn)動在動力學(xué)上是不穩(wěn)定的,任何輕微的破壞平衡的位移都會導(dǎo)致環(huán)的運(yùn)動被破壞,使光環(huán)落向土星。拉普拉斯推測,土星光環(huán)是一個(gè)質(zhì)量分布不規(guī)則的固體環(huán)。

到了1855年,理論仍然停留在此,而這中間,人們又觀測到了土星的一個(gè)新的暗環(huán),和現(xiàn)在環(huán)中更進(jìn)一步的分離現(xiàn)象,還有光環(huán)系統(tǒng)自從被發(fā)現(xiàn)以來二百年間整體尺度的緩慢變化。因此,一些科學(xué)家們提出了一個(gè)假說,來解釋土星光環(huán)在動力學(xué)上的穩(wěn)定性,這個(gè)假說是:土星光環(huán)是:由固體流體和大量并非相互密集的物質(zhì)構(gòu)成的。麥克斯韋就根據(jù)這一假說進(jìn)行了論述。他首先著手的是拉普拉斯留下的固體環(huán)理論,并確定了一個(gè)任意形狀環(huán)的穩(wěn)定性條件。麥克斯韋依據(jù)環(huán)在土星中心造成的勢,列出了運(yùn)動方程式,獲得了對勻速運(yùn)動的勢的一階導(dǎo)數(shù)的兩個(gè)限制,然后由泰勒展開式又得到關(guān)于穩(wěn)定運(yùn)動二階導(dǎo)數(shù)的三個(gè)條件。麥克斯韋又把這些結(jié)果換成關(guān)于質(zhì)量分布的傅立葉級數(shù)的前三個(gè)系數(shù)的條件。因而他證明了,除非有一種奇妙的特殊情形,幾乎每個(gè)可以想象的環(huán)都是不穩(wěn)定的。這種特殊的情形是指一個(gè)均勻環(huán)在一點(diǎn)上承載的質(zhì)量介于剩余質(zhì)量的4.43倍到4.67倍之間。但是這種特殊情況的固體環(huán)在不均勻的應(yīng)力下會瓦解掉,所以固體環(huán)的理論假說是不能成立的。

麥克斯韋早在1849年在愛丁堡的福布斯實(shí)驗(yàn)室就開始了色混合實(shí)驗(yàn)。在那個(gè)時(shí)候,愛丁堡有許多研究顏色的學(xué)者,除了福布斯、威爾遜和布儒斯特外,還有一些對眼睛感興趣的醫(yī)生和科學(xué)家。實(shí)驗(yàn)主要就是在于觀察一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)圓盤上的幾個(gè)著色扇形所生成的顏色。麥克斯韋和福布斯首先做出的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是使紅、黃、藍(lán)組合產(chǎn)生灰色。他們的實(shí)驗(yàn)失敗了,而其中的主要原因是:藍(lán)與黃混合并不象常規(guī)那樣生成綠色,而是當(dāng)兩者都不占優(yōu)勢時(shí)產(chǎn)生一種淡紅色,這種組合加上紅色不可能產(chǎn)生任何灰色。

麥克斯韋起初想到他的母校愛丁堡大學(xué)去謀職,因?yàn)槟抢锼睦蠋煾2妓挂淹寺?,需要一個(gè)自然哲學(xué)教授。同時(shí)應(yīng)選的有三個(gè)人,校方?jīng)Q定用考試來決定錄用誰。在筆試方面;麥克斯韋的學(xué)問理所當(dāng)然是第一,但是在口才上,麥克斯韋再次吃了虧??荚嚱Y(jié)果,麥克斯韋是最后一名,他的講課能力實(shí)在太差了。當(dāng)時(shí)甚至愛丁堡的一家雜志都發(fā)表評論文章,為愛丁堡大學(xué)失去這樣一個(gè)人才而惋惜。不過被選上的人也不差,那就是他中學(xué)和大學(xué)的同學(xué)泰特。麥克斯韋離開阿伯丁,又因此離開家鄉(xiāng)愛丁堡,他被聘為倫敦皇家學(xué)院的教授,妻子也一同前往。麥克斯韋于是開始了新的生活,在倫敦皇家學(xué)院,他完成了可以使他最終在物理學(xué)史上發(fā)射出光芒的電磁學(xué)理論。

電磁情緣
回顧電磁學(xué)的歷史,物理學(xué)的歷程一直到1820年的時(shí)候都是以牛頓的物理學(xué)思想為基礎(chǔ)的。自然界的“力”——熱、、光、磁以及化學(xué)作用正在被逐漸歸結(jié)為一系列流體的粒子間的瞬時(shí)吸引或排斥。人們已經(jīng)知道和靜電遵守類似引力定律的平方反比定律。在19世紀(jì)以前的40年中,出現(xiàn)了一種反對這種觀點(diǎn)的動向,這種觀點(diǎn)贊成“力的相關(guān)”。1820年,奧斯特發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象馬上成了這種新趨勢的第一個(gè)證明和極為有力的推動力,但當(dāng)時(shí)的人又對此捉摸不定和感到困惑。奧斯特所觀察到的電流與磁體間的作用有兩個(gè)基本點(diǎn)不同于已知的現(xiàn)象:它是由運(yùn)動的電顯示出來的,而且磁體既不被引向帶電流的金屬線,也不被它推開,而是對于它橫向定位。同一年,法國科學(xué)家安培用數(shù)學(xué)方法總結(jié)了奧斯特的發(fā)現(xiàn),并創(chuàng)立了電動力學(xué),此后,安培和他的追隨者們便力圖使電磁的作用與有關(guān)瞬時(shí)的超距作用的現(xiàn)存見解調(diào)和起來。

麥克斯韋的電學(xué)研究始于1854年,當(dāng)時(shí)他剛從劍橋畢業(yè)不過幾星期。他讀到了法拉第的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》,立即被書中新穎的實(shí)驗(yàn)和見解吸引住了。在當(dāng)時(shí)人們對法拉第的觀點(diǎn)和理論看法不一,有不少非議。最主要原因就是當(dāng)時(shí)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念影響很深。另一方面的原因就是法拉第的理論的嚴(yán)謹(jǐn)性還不夠。法拉第是實(shí)驗(yàn)大師,有著常人所不及之處,但唯獨(dú)欠缺數(shù)學(xué)功力,所以他的創(chuàng)見都是以直觀形式來表達(dá)的。一般的物理學(xué)家恪守牛頓的物理學(xué)理論,對法拉第的學(xué)說感到不可思議。有位天文學(xué)家曾公開宣稱:“誰要在確定的超距作用和模糊不清的力線觀念中有所遲穎,那就是對牛頓的褻瀆!”在劍橋的學(xué)者中,這種分歧也相當(dāng)明顯。湯姆遜也是劍橋里一名很有見識的學(xué)者之一。麥克斯韋對他敬佩不已,特意給湯姆遜寫信,向他求教有關(guān)電學(xué)的知識。湯姆遜比麥克斯韋大7歲,對麥克斯韋從事電學(xué)研究給予過極大的幫助。在湯姆遜的指導(dǎo)下,麥克斯韋得到啟示,相信法拉第的新論中有著不為人所了解的真理。認(rèn)真地研究了法拉第的著作后,他感受到力線思想的寶貴價(jià)值,也看到法拉第在定性表述上的弱點(diǎn)。于是這個(gè)剛剛畢業(yè)的青年科學(xué)家決定用數(shù)學(xué)來彌補(bǔ)這一點(diǎn)。1855年麥克斯韋發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁學(xué)的論文《論法拉第的力線》。

力線理論
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋麥克斯韋電磁方程組

1862年,麥克斯韋完成了論文《論物理的力線》,麥克斯韋的物理力線理論就在于把磁場中的轉(zhuǎn)動這一假說從尋常的物質(zhì)推廣到以太。他考慮了深置于不可壓縮流體中渦旋的排列。在正常情況下,壓強(qiáng)在各方向是相同的,但轉(zhuǎn)動引起的離心力使每一渦旋發(fā)生縱向收縮并施加經(jīng)向壓強(qiáng),這正模擬了法拉第力線學(xué)說中所提的應(yīng)力分布。由于使每一渦旋的角速度同局部磁場強(qiáng)度成正比,麥克斯韋得出了同已有的關(guān)于磁體、穩(wěn)恒電流及抗磁體之間力的理論完全相同的公式。根據(jù)流體的觀察實(shí)驗(yàn),麥克斯韋認(rèn)為各渦旋之所以能沿同一指向自由轉(zhuǎn)動,是因?yàn)楦鳒u旋由一層微小的粒子同與它相鄰的渦旋格開,這種粒子與電完全相同。

然而麥克斯韋并未滿足自己已有的成果而舉足不前,他仍然向電磁學(xué)領(lǐng)域的更深處前進(jìn)。1863年,他在別人的幫助下完成了他的第三篇論文《論電學(xué)量的基本關(guān)系》,這是麥克斯韋電學(xué)研究中邁出的重要一步,在以往卻常常被人忽視。在這篇論文里,他推廣傅立葉在熱的理論中開始的程序,宣布了同質(zhì)量、長度、時(shí)間度有關(guān)的電學(xué)量和磁學(xué)量的定義,以便于提供對那種二元的電學(xué)單位制的第一個(gè)最完整透徹的說明。他引入了成為標(biāo)準(zhǔn)的記號,把量綱關(guān)系表示為用括弧括起來的質(zhì)量、長度、時(shí)間量度的冪(音mì)的乘積,帶有各自的無量綱的乘數(shù)。在這一年,麥克斯韋已經(jīng)找到了在電磁量與光速之間的一個(gè)純唯象性質(zhì)的環(huán)節(jié)。

1865年他發(fā)表了第四篇論文《電磁場的動力學(xué)理論》,為解決與光速之間的純唯象問題提供了一個(gè)新的理論框架。它以實(shí)驗(yàn)和幾個(gè)普遍的動力學(xué)原理為根據(jù),證明了不需要任何有關(guān)分子渦旋或電粒子之間的力的專門假設(shè),電磁波在空間的傳播就會發(fā)生。在這篇論文中,麥克斯韋完善了他的方程式。他采用拉格朗日和哈密頓創(chuàng)立的數(shù)學(xué)方法,由該方程組直接導(dǎo)出了電場和磁場的波動方程,其波動的傳播速度為一個(gè)介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)的幾何平均的倒數(shù),這一速度正當(dāng)?shù)扔诠馑?。這一結(jié)果又再一次與麥克斯韋四年以前的推算結(jié)果完全一致。至此電磁波的存在是確定無疑的了。由此,麥克斯韋大膽的斷定,光也是一種電磁波。法拉第當(dāng)年關(guān)于光的電磁論的朦朧猜想,經(jīng)過麥克斯韋精心地計(jì)算而變成為科學(xué)的推論,法拉第與麥克斯韋的名字,從此像牛頓與伽利略的名字一樣,聯(lián)系在一起,在物理學(xué)上閃爍著永久的光芒。麥克斯韋在一封信上曾談及他的這篇論文,他說:“我在完成一篇包含光的電磁理論,在我確信相反的理論產(chǎn)生以前,我認(rèn)為這個(gè)理論是強(qiáng)大的武器。”從1865年開始,麥克斯韋辭去了皇家學(xué)院的教席,開始潛心進(jìn)行科學(xué)研究,系統(tǒng)地總結(jié)研究成果,撰寫電磁學(xué)專著。

電磁專著
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋詹姆斯·克拉克·麥克斯韋
經(jīng)過了八年的艱苦努力,1873年麥克斯韋的一部電磁學(xué)專著終于問世了,書名叫作《電磁學(xué)通論》。在《電磁學(xué)通論》中,麥克斯韋比以前更為徹底地應(yīng)用了拉格朗日的方程,推廣了動力學(xué)的形式體系。這一時(shí)期前后,英國和歐洲大陸的數(shù)學(xué)家中間普遍傾向于更廣泛地在物理學(xué)問題中使用分析動力學(xué)的方法,麥克斯韋的做法與數(shù)學(xué)家的方法不謀而合。而且他的方法和見地新穎,使很多人為之吸引。通過把這種流行的研究傾向動用于電磁學(xué),他使時(shí)尚變成了他特有的結(jié)果。麥克斯韋采用風(fēng)格極為新式的關(guān)于項(xiàng)的對稱性與矢量結(jié)構(gòu)的論證,以最普遍的形式表示出電磁系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)。麥克斯韋對拉格朗日方法的運(yùn)用,就其幾乎是通往物理學(xué)理論的一條新途徑來說,這是第一次嘗試。過了很多年,其他物理學(xué)家才充分地運(yùn)用這一方法來研究電磁學(xué)領(lǐng)域。

《電磁學(xué)通論》是一部經(jīng)典的電磁理論著作,在這本大部頭的著作中,麥克斯韋系統(tǒng)地總結(jié)了人類在19世紀(jì)中葉前后對電磁現(xiàn)象的探索研究軌跡,其中包括庫侖、安培、奧斯特、法拉第等人的不可磨滅的功績,更為細(xì)致、系統(tǒng)地概括了他本人的創(chuàng)造性努力的結(jié)果和成就,從而建立起完整的電磁學(xué)理論。這部巨著有著非同小可的歷史意義,可與牛頓的《數(shù)學(xué)原理》(力學(xué))、達(dá)爾文的《物種起源》(生物學(xué))相提并論。從安培、奧斯特,經(jīng)法拉第、湯姆遜最后到麥克斯韋,通過幾代人的不懈努力,電磁理論的宏偉大廈,終于建立起來。這本書的出版,理所當(dāng)然地成了物理學(xué)界的一件大事,當(dāng)時(shí)麥克斯韋只有42歲,已經(jīng)回到劍橋任實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的教授。人們早已通過他以前的幾篇卓有見地的論文而熟識了他,他的朋友和學(xué)生以及科學(xué)界的人士對他的這本書更是期待已久,爭相到各地書店去購買,以求先睹為快,所以書的第一版很快就被搶購一空。

麥克斯方程
麥克斯韋方程的最大優(yōu)點(diǎn)在于它的通用性,它在任何情況下都可以應(yīng)用。在此以前所有的電磁定律都可由麥克斯韋方程推導(dǎo)出來,許多從前沒能解決的未知數(shù)也能從方程推導(dǎo)過程中尋出答案。

這些新成果中最重要的是由麥克斯韋自己推導(dǎo)出來的。根據(jù)他的方程可以證明出電磁場的周期振蕩的存在。這種振蕩叫電磁波,一旦發(fā)出就會通過空間向外傳播。根據(jù)方程,麥克斯韋就可以表達(dá)出電磁波的速度接近300000公里(186000英里)/秒,麥克斯韋認(rèn)識到這同所測到的光速是一樣的。由此他得出光本身是由電磁波構(gòu)成的這一正確結(jié)論。因此,麥克斯韋方程不僅是電磁學(xué)的基本定律,也是光學(xué)的基本定律。的確如此,所有先前已知的光學(xué)定律可以由方程導(dǎo)出,許多先前未發(fā)現(xiàn)的事實(shí)和關(guān)系也可由方程導(dǎo)出。

可見光并不是唯一的一種電磁幅射。麥克斯韋方程表明與可見光的波長和頻率不同的其它電磁波也可能存在。這些從理論上得出的結(jié)論后來被海因利茨·赫茲公開演示證明了。赫茲不僅生產(chǎn)出而且檢驗(yàn)出了麥克斯韋預(yù)言存在的不可見光波。幾年以后,伽格利耶爾摩·馬可尼證明這些不可見光波可以用于無線電通訊,無線電隨之問世。今天我們也用不可見光為電視通訊。X線、γ線、紅外線、紫外線都是電磁波幅射的其它一些例子。所有這些射線都可以用麥克斯韋方程來加以研究。

人物評價(jià)

《電磁學(xué)通論》雖然一搶而空,但是真正讀懂的人卻寥寥無幾。不久,就聽到有人批評它艱深難懂。當(dāng)然,高度抽象的麥克斯韋微分方程,畢竟不像 2×2=4那么簡單。單是兩個(gè)公式、幾個(gè)數(shù)學(xué)符號,就包羅了電荷、電流、電磁、光等自然界一切電磁現(xiàn)象的規(guī)律,這在一般人看來,確實(shí)是不可思議的。另外,還有一個(gè)更主要的原因,就是從麥克斯韋宣布他的理論以后,一直沒有人發(fā)現(xiàn)電磁波。而能否證明有電磁波存在,是檢驗(yàn)麥克斯韋理論的關(guān)鍵。因此許多物理學(xué)家都抱著懷疑態(tài)度。就連從前熱情鼓勵(lì)麥克斯韋的威廉·湯姆生,也不敢肯定麥克斯韋的預(yù)言是否可靠。   

麥克斯韋的電磁理論,在物理學(xué)上有劃時(shí)代的意義。遺憾的是,麥克斯韋本人沒有能夠證實(shí)自己的理論(在一定程度上可以說是“沒有去證實(shí)”)。這有客觀原因,也有主觀原因。由于環(huán)境和工作條件的限制,麥克斯韋一直沒有更多的機(jī)會從事電磁實(shí)驗(yàn)。熱力學(xué)和分子物理學(xué)的研究,耗去了他大部分時(shí)間和精力。再有,他主要是個(gè)理論物理學(xué)家。就像他的學(xué)生弗萊明(1849~1945)后來所說的那樣,“他從理論上預(yù)言了電磁波的存在,但是好像從來沒有想到過要用什么實(shí)驗(yàn)去證明它?!狈ɡ谝惠呑佣紱]有離開過實(shí)驗(yàn),可以說沒有實(shí)驗(yàn)就沒有法拉第。麥克斯韋恰好相反,他只是在倫敦的5年里進(jìn)行了一些有限的實(shí)驗(yàn),而且多半是氣體動力學(xué)方面的。他的寓所,靠近屋頂?shù)牡胤接幸婚g狹長的閣樓,那就是他的實(shí)驗(yàn)室。他的妻子常常給他當(dāng)助手,生火爐,調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度,條件相當(dāng)簡陋。后來在皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室里,他作過一些電學(xué)實(shí)驗(yàn),也多只是測定標(biāo)準(zhǔn)電阻這一類工作?!峨姶艑W(xué)通論》完成以后,麥克斯韋忙著籌建卡文迪許實(shí)驗(yàn)室,整理卡文迪許 (1731~1810)的遺著。   

由于以上這些原因,電磁理論問世以后,在相當(dāng)長的時(shí)間里沒有得到承認(rèn)。最初只有劍橋大學(xué)的一些青年物理學(xué)家支持它。許多人,包括一批有威望的科學(xué)家,對還沒有被證明的新理論,都采取觀望態(tài)度。勞厄(1879~1960)在《物理學(xué)史》中曾經(jīng)這樣評論說:“盡管麥克斯韋理論具有內(nèi)在的完美性,并且和一切經(jīng)驗(yàn)相符合,但是只能逐漸地被物理學(xué)家們接受。它的思想太不平常了,甚至像赫爾姆霍茨和波爾茨曼(1844~1906)這樣有異常才能的人,為了理解它也花了幾年的力氣?!?nbsp;  

幾個(gè)春秋過去了。麥克斯韋把他的心血默默地獻(xiàn)給了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。這座實(shí)驗(yàn)室在1872年破土,到1874年完工。修建經(jīng)費(fèi)是一位鼓勵(lì)科學(xué)的公爵捐贈的。為了增添儀器,麥克斯韋也拿出了自己不多的積蓄。在整個(gè)籌建過程中,從設(shè)計(jì)、施工、儀器購置,直到大門上的題詞,麥克斯韋都親自過問。它是實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建人,也是第一任主任。后來相繼接替他的是瑞利(1842~1919)和約瑟夫·湯姆遜,湯姆遜以后是盧瑟福(1871~1937),他們都是世界第一流的物理學(xué)家。這座實(shí)驗(yàn)室開花結(jié)果的時(shí)期在20世紀(jì)。大批優(yōu)秀的科學(xué)人才,尤其是原子能物理方面的人才,都是從這里培養(yǎng)出來的。   

麥克斯韋最后幾年的主要工作,是整理卡文迪許留下的大量資料。這項(xiàng)由公爵委托給他的任務(wù),工作相當(dāng)繁重。卡文迪許是18世紀(jì)一位性情怪僻的英國著名物理學(xué)家和化學(xué)家。他曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)氫氣,確實(shí)水的化學(xué)組成,第一個(gè)計(jì)算地球的質(zhì)量,在靜電學(xué)上也很有研究。他終身未娶,為人靦腆,喜歡離群索居,死后留下二十多扎沒有發(fā)表的科學(xué)手稿,大多涉及數(shù)學(xué)和電學(xué),其中不少很有價(jià)值的東西埋沒了幾乎半個(gè)世紀(jì)。整理這些資料是一件非常細(xì)致而困難的工作,麥克斯韋為了完成這項(xiàng)工作,作出了很大的犧牲:他放棄了自己的研究,耗盡了精力。   

除了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的日常事務(wù)以外,麥克斯韋每學(xué)期都要主講一門課,內(nèi)容是電磁學(xué)或者熱力學(xué)。他在講臺上熱心地宣傳電磁理論,推廣新學(xué)說??上牨姴欢?。他本來就不善于講演,更何況電磁理論是那樣的高深,同傳統(tǒng)的物理學(xué)大相徑庭呢!1878年5月,他舉行了一次有關(guān)電話的科普講演。電話當(dāng)時(shí)還是新事物,剛剛破土而出。1875年貝爾發(fā)明電話,第二年取得專利,1877年愛迪生公布阻抗式送話器。這些人類電信史上的新發(fā)明,引起了麥克斯韋莫大的興趣??赡?,他當(dāng)時(shí)已經(jīng)預(yù)感到,他的理論總有一天會給這些發(fā)明插上雙翅,傳遍全球。   

麥克斯韋后期的生活充滿了煩惱。他的學(xué)說沒有人理解,妻子又久病不愈。這雙重的不幸,壓得他精疲力盡。妻子生病以后,整個(gè)家庭生活的秩序都亂了。麥克斯韋對妻子一向體貼入微,為了看護(hù)妻子,他曾經(jīng)整整三個(gè)星期沒有在床上睡過覺。盡管這樣,他的講演,他的實(shí)驗(yàn)室工作,卻從來沒有中斷過。過分的焦慮和勞累,終于損害了他的健康。同事們注意到這位無私的科學(xué)家在漸漸地消瘦下去,面色也越來越蒼白。但是,他還是那樣頑強(qiáng)地工作。   

1879年是麥克斯韋生命的最后一年。這一年的春天來得很晚,也格外冷。他的健康明顯惡化,但是他仍然堅(jiān)持不懈地宣傳電磁理論。這時(shí),他的講座只有兩個(gè)聽眾。一個(gè)是美國來的研究生,另一個(gè)就是后來發(fā)明電子管的弗萊明。這是一幕多么令人感嘆的情景??!空曠的階梯教室里,只在頭排坐著兩個(gè)學(xué)生。麥克斯韋夾著講義,照樣步履堅(jiān)定地走上講臺,他面孔消瘦,目光閃爍,表情嚴(yán)肅而莊重。仿佛他不是在向兩個(gè)聽眾,而是在向全世界解釋自己的理論。   

1879年11月5日,麥克斯韋患癌癥去世,終年只有49歲。物理學(xué)史上一顆可以同牛頓交相輝映的明星隕落了。他正當(dāng)壯年就不幸夭折,這是非??上У摹K睦碚摓榻茖W(xué)技術(shù)開辟了一條嶄新的道路,可是他的功績,在他活著的時(shí)候卻沒有得到人們重視。麥克斯韋的一生,是咤叱風(fēng)云的一生,也是自我犧牲的一生。這位科學(xué)巨匠生前的榮譽(yù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及法拉第,直到他死后許多年,在赫茲證明了電磁波存在以后人們才意識到,并且公認(rèn)他是“牛頓以后世界上最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家”。   

麥克斯韋 (1831-1879)。麥克斯韋是繼法拉第之后,集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成果,建立了第一個(gè)完整的電磁理論體系,不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在,而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性,完成了物理學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果,奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無線電工業(yè)的基礎(chǔ)。



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