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偉大的接力——從法拉第到麥克斯韋

 附近的人za9c9u 2018-12-15

在物理學(xué)中

有一座榮譽(yù)殿堂

里面是為物理作出重大貢獻(xiàn)的人們

其中

有三尊神矗立在最高峰


第一位,不必多說(shuō),牛頓。

第二位,也沒有爭(zhēng)議,愛因斯坦。



那第三位呢?

有人說(shuō)法拉第,有人說(shuō)特斯拉,但是實(shí)際上在那里的人,叫做麥克斯韋。

等等,麥克斯韋是誰(shuí)?                                       

   

                                                                  

如果說(shuō)牛頓是統(tǒng)一了天上和地上的力,那麥克斯韋就是統(tǒng)一了電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)的另一位集大成者。

當(dāng)然,要說(shuō)他的故事,就還得從他的前輩,同樣偉大的法拉第說(shuō)起。





- 法拉第之章 -

Faraday's Chapter



貧窮使我理智

 

法拉第,何許人也?生于英國(guó),鐵匠家庭。

有人會(huì)覺得,這不是還可以嗎?但是法拉第也很悲慘地?fù)碛辛艘粋€(gè)特殊的背景——貧窮。

這一切還得拜牛頓和瓦特所賜。第一次工業(yè)革命轟轟烈烈的開啟了機(jī)器大生產(chǎn)的時(shí)代,法拉第家的小作坊自然就成了工業(yè)革命的犧牲品,加上父親體弱多病……

所以法拉第只讀了兩年小學(xué)就輟學(xué)了。

輟了學(xué)的法拉第上了街,成了一個(gè)賣報(bào)的小行家。后來(lái)又去了書店成為了學(xué)徒。

一直以來(lái),送快遞的不能試用顧客的商品,但是賣報(bào)訂書的卻可以隨時(shí)閱覽。所以說(shuō),和圖書打交道的職業(yè),真的前途是遠(yuǎn)大啊!

就在書店學(xué)徒的期間,法拉第如饑似渴地閱讀各類書籍,自學(xué)了許多自然科學(xué)知識(shí)。

 

 

 

要知道當(dāng)時(shí)的英國(guó),什么最走流量?不是演藝明星,而是科學(xué)家。

沒錯(cuò)!科學(xué)家就是那個(gè)年代的英國(guó)網(wǎng)紅。成為科學(xué)家就代表著地位、財(cái)富還有成千上萬(wàn)的追隨者。而如果進(jìn)入了皇家科學(xué)院,那恭喜你,你已經(jīng)成為了全國(guó)人民的焦點(diǎn)。

不過(guò)法拉第的收入和地位是沒有辦法接近這些大師的。不過(guò)這時(shí)他的職業(yè)發(fā)揮了作用,他借送書的機(jī)會(huì)接觸各界名流,總算得到了幾張贈(zèng)票??窟@來(lái)之不易的機(jī)會(huì),他終于接觸到了當(dāng)時(shí)的皇家科學(xué)院院長(zhǎng)——電解狂魔戴維。

戴維通過(guò)電解,發(fā)現(xiàn)了鉀鈣鈉鎂硼硅鋇鍶等元素

戴維被他整理的精良的聽講筆記震驚不已,決定招法拉第進(jìn)入皇家科學(xué)院給他當(dāng)助理。

在當(dāng)助理打雜的時(shí)光里,法拉第做著助手和雜役應(yīng)該做的事情,鞍前馬后地服侍戴維。而他心之所向,還是電磁學(xué)。






天才助理和腹黑導(dǎo)師


1820年,奧斯特意外地發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)——電流可以讓磁針偏轉(zhuǎn)。

安培在此基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)了電生磁的安培右手螺旋定則。

之后研究就陷于停滯了。于是法拉第抖了個(gè)機(jī)靈,既然不知道怎么讓磁針繼續(xù)偏轉(zhuǎn),莫不如反過(guò)來(lái),看看能不能讓磁鐵驅(qū)動(dòng)電流運(yùn)動(dòng)。

于是法拉第做成了人類歷史上第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)

然而人生的大起大落來(lái)的太快,法拉第犯下了人生中最大的錯(cuò)誤——

瞞著老板

私發(fā)論文

這種“大逆不道”的行為觸犯了科學(xué)界的潛規(guī)則。在這一刻,戴維接過(guò)了皇家科學(xué)院由胡克牛頓開創(chuàng)的內(nèi)斗傳統(tǒng),腹黑地安排法拉第做光學(xué)玻璃研究,讓他接觸不到電磁學(xué)。

終于,皇天不負(fù)有心人,八年后——

戴維讓他回去了?

不是,是戴維去世了……法拉第終于回到了電磁學(xué)的研究中。

在法拉第之前,人們?cè)趺传@得電?

最早,人們只能用摩擦起電的原理獲得電荷。后來(lái),伏特發(fā)明了化學(xué)電池(伏打電堆),獲得了穩(wěn)定的電壓。但是這些只能用于科學(xué)研究,根本不能普及大眾。

奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁后,許多科學(xué)家都想優(yōu)先得到磁生電的原理,但是發(fā)現(xiàn)磁鐵無(wú)論如何擺放,都沒有電流產(chǎn)生。最終,這一層窗戶紙還是由八年飲冰,難涼熱血的法拉第捅破了。







最偉大的實(shí)驗(yàn)學(xué)家


1831年,法拉第首先把兩條獨(dú)立的電線繞在大鐵環(huán)上,當(dāng)給一條導(dǎo)線通電的時(shí)候,在通電和斷電的瞬間,另一條導(dǎo)線出現(xiàn)了電流!

然后,他讓一塊磁鐵通過(guò)導(dǎo)體線圈,線圈中也產(chǎn)生了電流!

法拉第的觀念終于構(gòu)建完成了!

不是“磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流”,而是“變化的磁場(chǎng)在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流”。

由此,電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)了。后來(lái)他依照此規(guī)律,用銅盤在磁鐵中轉(zhuǎn)動(dòng),發(fā)明了人類第一臺(tái)發(fā)電機(jī),為第二次工業(yè)革命提供了最堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

除此之外,他還提出了“場(chǎng)”的概念,并引入了電場(chǎng)線和磁場(chǎng)線用來(lái)描述。

更厲害的是,在化學(xué)上,他發(fā)現(xiàn)了電解定律,推廣了陰極、陽(yáng)極、離子等概念,發(fā)現(xiàn)了苯、電解飽和食鹽水制氯氣法等,被尊稱為最偉大的實(shí)驗(yàn)學(xué)家。

那照你這么說(shuō),那應(yīng)該是法拉第來(lái)做這個(gè)第三人啊.

別急,故事還沒說(shuō)完呢……







- 麥克斯韋之章 -

Maxwell's Chapter



另一個(gè)傳奇


就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的同年,1831年,一個(gè)嬰兒在蘇格蘭愛丁堡呱呱墜地,他被命名為麥克斯韋。

如果法拉第是靠奮斗自學(xué)成才,那相比他來(lái)說(shuō),麥克斯韋簡(jiǎn)直就是開掛般的人生了。

麥克

斯韋


15歲

向愛丁堡皇家學(xué)院遞交科研論文






16歲

考上大學(xué)




19歲

轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)






23歲

畢業(yè)留校


25歲

擔(dān)任教授






30歲

被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員

要知道牛頓也是29歲入選皇家學(xué)會(huì)的……

1854年,23歲,剛從劍橋畢業(yè)幾星期的麥克斯韋讀到了法拉第的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》,便立刻被其吸引。

在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后的二十年間,他提出了一個(gè)概念,認(rèn)為電磁力是通過(guò)一種名叫“場(chǎng)”的物質(zhì)作用的。這直接動(dòng)搖了牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)(牛頓認(rèn)為力的作用不需要距離,即“超距作用”)。法拉第為了解釋他的場(chǎng),提出了電場(chǎng)線、磁場(chǎng)線等概念。但是人們依然在非議,甚至認(rèn)為法拉第褻瀆了牛頓。

法拉第也想證明他是對(duì)的,但是……

他沒怎么上過(guò)學(xué)啊?。。?!

數(shù)學(xué)孱弱的法拉第對(duì)此毫無(wú)辦法,他甚至對(duì)他所有的成果都只能用直觀的方式描述。

好在這時(shí),麥克斯韋接過(guò)了法拉第的接力棒,開始新一輪的奔跑。






歷史性的會(huì)面


1855年,麥克斯韋發(fā)表了他的第一篇電磁學(xué)論文《論法拉第的力線》,對(duì)法拉第的理論進(jìn)行了一些數(shù)學(xué)描述。

法拉第在見到這篇文章之后,大喜過(guò)望,自己的想法終于有人實(shí)現(xiàn)了。他日思夜想,等著和那篇論文的作者相見的那一刻。

終于,五年后,他等到了。

1860年,麥克斯韋前往倫敦拜訪法拉第,二人相見如故。

盡管法拉第69歲,麥克斯韋29歲,一個(gè)年近古稀,一個(gè)正值壯年。

但我們?nèi)詴?huì)感嘆二人的互補(bǔ)竟然這么美妙。

法拉第不懂?dāng)?shù)學(xué),麥克斯韋精通數(shù)學(xué);

法拉第善于實(shí)驗(yàn)探究,麥克斯韋善于理論總結(jié);

法拉第陽(yáng)光、健談,麥克斯韋內(nèi)斂、不善交流。

而他們對(duì)于物質(zhì)世界的認(rèn)知是完美契合的。


我沒想到《論法拉第的力線》的作者竟然這么年輕。

老師,請(qǐng)您指出我這篇論文的缺點(diǎn)吧。

不,未來(lái)是你的,你一定會(huì)超越我。所以,請(qǐng)不要只停留在解釋我的層面,你需要的,是突破它!我等你的好消息,年輕人!







完美的數(shù)學(xué)證明


這番交談,讓麥克斯韋的前路一下子就豁然開朗了。

怎么突破法拉第的理論?電能生磁,磁能生電,電有電場(chǎng),磁有磁場(chǎng)。既然相互產(chǎn)生,性質(zhì)這么接近,它們會(huì)不會(huì)是一種東西?

麥克斯韋經(jīng)過(guò)五年的潛心研究和推導(dǎo),發(fā)表了《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》,終于給出了的完美證明。

簡(jiǎn)潔、對(duì)稱、完美的結(jié)論誕生了!

麥克斯韋方程組

(因?yàn)榻^大部分人都看不懂,所以就不放它的公式形式了)

(略o(* ̄︶ ̄*)o)

只需知道,它由以下四個(gè)部分構(gòu)成:

論述磁單極子不存在的高斯磁定律

描述變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第電磁感應(yīng)定律

描述電流和變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的麥克斯韋-安培定律

描述電荷如何產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定律

怎么樣,是不是很厲害?

當(dāng)然能看懂的,都會(huì)在這一刻驚呼——

麥克斯韋立功了?。?!

庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、法拉第在這一刻靈魂附體。麥克斯韋他一個(gè)人,代表了電磁學(xué)悠久的歷史和傳統(tǒng),

在這一刻,他不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗?。?!

他不是一個(gè)人?。。。?!啊啊啊啊??!







預(yù)言家實(shí)錘


麥克斯韋方程組在電磁學(xué)中的地位,就和牛頓運(yùn)動(dòng)定律在力學(xué)中的地位一樣,任何電磁定理都可以用它來(lái)解釋。

靠著麥克斯韋方程組,法拉第的“場(chǎng)”的觀點(diǎn)終于得到了認(rèn)可,牛頓的“超距作用”觀點(diǎn)被打破。帶著這個(gè)美麗的結(jié)果,法拉第在兩年后含笑去世。

永不止步的麥克斯韋繼續(xù)前行,又于1873年將畢生所得匯總在了《電磁學(xué)通論》中,把人類在電磁學(xué)的幾代探索軌跡進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),進(jìn)一步優(yōu)化了麥克斯韋方程,建立了完整的電磁學(xué)理論,它與牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、達(dá)爾文的《物種起源》并列,建立起了科學(xué)的宏偉大廈。而此時(shí)的麥克斯韋,年僅42歲。

麥克斯韋通過(guò)自己的方程組,還得到了一個(gè)大膽的預(yù)言——

1

電磁相互作用是統(tǒng)一的

2

變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互產(chǎn)生,空間中存在電磁波

3

電磁波的傳播速度是光速

4

光是一種電磁波

這是一種超越時(shí)代的理解??上溈怂鬼f還沒來(lái)得及親自發(fā)現(xiàn)電磁波,就被天妒英才了。

1879年,麥克斯韋去世。年僅48歲。

最終于1888年,德國(guó)物理學(xué)家赫茲用麥克斯韋的理論在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了電磁波的存在,再由馬可尼和特斯拉發(fā)明了無(wú)線電,無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)臍v史正式開始。


尾聲


法拉第不但是一個(gè)自學(xué)典范,更是一個(gè)道德楷模。

麥克斯韋則是天才般的繼承了他的偉大,為電磁學(xué)賦予了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)母挥邢胂罅Φ臄?shù)學(xué)形式,造就了人類歷史上最偉大的科學(xué)進(jìn)步之一。

這兩個(gè)人的偉大接力,成為了科學(xué)史上的著名佳話,值得傳頌。

科學(xué)家之間的相互欣賞和惺惺相惜,更值得所有人學(xué)習(xí)。

沒錯(cuò),說(shuō)的就是胡克和牛頓你倆!

(完)


文:原創(chuàng)

圖:原創(chuàng)

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