麥克斯韋：用數(shù)學(xué)公式改變世界的物理學(xué)家

麥克斯韋對物理學(xué)做出了“自牛頓時(shí)代以來的一次最深刻、最富有成效的變革”。

——愛因斯坦，在麥克斯韋百年誕辰的紀(jì)念會(huì)上的評(píng)價(jià)

▲詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

前言

1879年11月5日，對二十世紀(jì)影響最大的英國理論物理學(xué)家麥克斯韋，因?yàn)槲赴┻^早的結(jié)束了光輝的生涯，終年48歲。他是從牛頓到愛因斯坦這階段中最偉大的物理學(xué)家。

在科學(xué)史上，橫跨物理、數(shù)學(xué)兩界的牛頓爵爺，把天和地的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了第一次大綜合；而麥克斯韋把電、磁和光統(tǒng)一起來，完成了第二次大綜合，也因此與牛頓齊名。

他的電磁學(xué)經(jīng)典《論電和磁》，可與牛頓的力學(xué)經(jīng)典《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》、達(dá)爾文的生物學(xué)經(jīng)典《物種起源》相提并論。

和很多科學(xué)家一樣，麥克斯韋也是天才。他16歲就進(jìn)入蘇格蘭最高學(xué)府愛丁堡大學(xué)，成為班里年紀(jì)最小的學(xué)生。隨后，他僅用三年時(shí)間完成了四年的學(xué)業(yè)，在和牛頓一樣的年紀(jì)，走進(jìn)了牛頓學(xué)習(xí)的地方——?jiǎng)虼髮W(xué)三一學(xué)院。然而，就是這樣一位科學(xué)奇才卻被評(píng)為“最被普通大眾低估的物理學(xué)家”。

▲麥克斯韋

麥克斯韋48年的人生是如何渡過的，他為何又會(huì)被低估？

第一，打破理論家通病的天才“捉妖師”

在科學(xué)界，一直有四大兇獸的說法，分別是：芝諾的烏龜、拉普拉斯獸、薛定諤的貓和麥克斯韋妖。 “麥克斯韋妖”是他通過一個(gè)假想實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。

當(dāng)時(shí)科學(xué)家們都在尋找一種能夠讓熱從低溫物體傳向高溫物體，又不產(chǎn)生其他影響的第二類永動(dòng)機(jī)?？呻S著熱力學(xué)第二定律的誕生，終于判定了第二類永動(dòng)機(jī)的死刑，是不可能實(shí)現(xiàn)的。

可麥克斯韋卻不信這個(gè)邪。終于，他發(fā)現(xiàn)了一只被學(xué)界稱為“麥克斯韋妖”的能量控制機(jī)制。這只妖精可以說是神通廣大，完成了低溫到高溫的轉(zhuǎn)變，意外地打開了定律無法解釋的生命世界的大門。

▲麥克斯韋妖，麥克斯韋為詰難熱力學(xué)第二定律而進(jìn)行的思想實(shí)驗(yàn)

一個(gè)研究電磁學(xué)的物理學(xué)家怎么還和熱力學(xué)搭上了呢。原來，熱力學(xué)第二定律的基礎(chǔ)就是統(tǒng)計(jì)力學(xué)，而麥克斯韋正是統(tǒng)計(jì)力學(xué)的創(chuàng)始人本尊。他抓住的另一只完美妖精就更厲害了，放之四海而皆準(zhǔn)，也成就了他的后世榮光。那就是“麥克斯韋方程組”。

他用一套數(shù)學(xué)公式推算出了電、磁、光的關(guān)系，預(yù)言了電磁波的存在，這才有了后世的電燈電話、手機(jī)網(wǎng)絡(luò)等信息時(shí)代。

▲麥克斯韋方程組

可以說，愛因斯坦的廣義“相對論”這枚雞蛋就是從麥克斯韋的方程組這只母雞肚子里掏出來的。所以，算起來，愛因斯坦還是麥克斯韋的隔世弟子。

此外，麥克斯韋還有一個(gè)特點(diǎn)，就是非常重視實(shí)驗(yàn)。他一手創(chuàng)建了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，為后世確立了實(shí)驗(yàn)科學(xué)精神。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)室可以說是諾貝爾獎(jiǎng)聚集地，像發(fā)現(xiàn)電子的湯姆遜、提出原子行星結(jié)構(gòu)的盧瑟福、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者克里克等。他們讓劍橋大學(xué)搶占了當(dāng)代物理學(xué)研究的核心地位。

▲卡文迪許實(shí)驗(yàn)室

第二，對科研和感情同樣專一的“御姐控”

“專一”可以說是麥克斯韋的一大性格特點(diǎn)，無論是科研還是感情。

他可以為了一個(gè)承諾，在生命最后幾年時(shí)間里，專注于整理性情怪僻的卡文迪許留下的手稿。要想理清這位第一個(gè)計(jì)算地球質(zhì)量的物理學(xué)家的資料，是一件細(xì)致又困難的工作。于是，麥克斯韋放棄了自己的研究，耗盡了精力。

同樣，對于妻子，他也付出了所有的感情和努力。就像用散文來調(diào)劑大腦的愛因斯坦一樣，麥克斯韋也有自己的文學(xué)愛好，那就是寫情詩?！澳愫臀覍㈤L相廝守/在生機(jī)盎然的春潮里……”這是他在追求妻子凱瑟琳時(shí)寫的詩句。

在麥克斯韋狹窄的實(shí)驗(yàn)室里，妻子也常常做他的助手，參與實(shí)驗(yàn)。他們就像一起獲得諾貝爾獎(jiǎng)的居里夫婦一樣，成為一對讓人稱羨的“神雕俠侶”。于是，就在妻子久病不愈的時(shí)候，麥克斯韋可以做到三個(gè)星期不上床睡覺，就為了照顧生病的妻子。

▲1869年麥克斯韋夫婦的合影

第三，偉大到有點(diǎn)變態(tài)的“屠貓狂魔”

“他就是個(gè)變態(tài)。他的同學(xué)給他起了一個(gè)綽號(hào)，叫屠貓狂魔。”這是轉(zhuǎn)到劍橋大學(xué)三一學(xué)院的麥克斯韋留給擁有三十年資質(zhì)的宿管阿姨的印象。

原來，三一學(xué)院有這樣一個(gè)傳統(tǒng)：把貓扔出窗外。可他又把這一傳統(tǒng)極致化了，發(fā)明了花式扔貓法，目的就是為了研究貓如何在極短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整身體平衡。

最后，麥克斯韋的“墜貓難題”還真被寫成了一篇“墜貓現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)說明”的論文，甚至被美國航空航天局用來模擬宇航員的太空運(yùn)動(dòng)方法，對人類的太空探索做出貢獻(xiàn)。

▲貓和宇航員動(dòng)作對比實(shí)驗(yàn)

確實(shí)，麥克斯韋的“變態(tài)”有些曲高和寡，畢竟天才的腦子可不是一般人能理解的，對于他的偉大也一樣。

在他的理論還沒有被證實(shí)的年代，他的多年研究成果、他的極力宣傳都無人問津。甚至在他去世的最后一年，帶病講座，可聽眾只有兩個(gè)人。

歷史上有許多偉人都是這樣的結(jié)局，像一生披著“低俗作家”名聲的莎士比亞、“二流寫手”的毛姆等。

【參考資料】《中國大百科全書》《詹姆斯·克拉克·麥克斯韋》