這些天才科學(xué)家取得的輝煌成就,奠定了現(xiàn)代學(xué)科的理論基礎(chǔ),為20世紀(jì)人類科技的全面騰飛創(chuàng)造了條件。
以我們通信行業(yè)為例,目前我們最前沿的通信科技,不管是5G,還是Wi-Fi 6,都是基于電磁理論發(fā)展起來的技術(shù)。而電磁理論,就是18~19世紀(jì)奠基完成的。
我們今天這篇文章的主角,就是電磁理論的重要奠基人之一,大名鼎鼎的麥克斯韋。
▉ 麥克斯韋的生平往事
我們首先回顧一下麥克斯韋的整個人生歷程。
相比于小棗君之前給大家介紹過的其他大神,麥克斯韋的人生經(jīng)歷可以說是非常平淡,既沒有大富大貴,也沒有大起大落。
1831年6月13日,麥克斯韋在蘇格蘭愛丁堡出生。他的父親是一位辯護(hù)律師,名叫詹姆斯·克拉克。之所以會多出一個“麥克斯韋”姓氏,是因?yàn)榭死思易搴望溈怂鬼f家族關(guān)系深厚,小麥克斯韋的曾祖母就來自麥克斯韋家族。小麥克斯韋他爹還繼承了麥克斯韋家族的一些地產(chǎn)。
幼年時期的麥克斯韋,雖然家境殷實(shí),但因?yàn)榭谝魸庵氐葐栴}經(jīng)常遭到同齡人的嘲笑,所以性格比較孤僻,不太喜歡講話。他的教育,主要是由他的母親在負(fù)責(zé)。
8歲那年,麥克斯韋的母親患病去世,導(dǎo)致他變得更加沉默寡言。
不過,幸運(yùn)的是,麥克斯韋的父親并沒有放棄對他的關(guān)愛,積極鼓勵和陪伴他成長。他父親發(fā)現(xiàn),兒子經(jīng)常畫一些幾何圖形,于是,親自教導(dǎo)他學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。
當(dāng)時,他父親還聘請了一名家教對他進(jìn)行指導(dǎo)。然而,這名家教對小麥克斯韋極為尖酸刻薄,經(jīng)常責(zé)罵他遲鈍、任性。于是,他父親在1841年11月辭退了這名家教,將小麥克斯韋送到久負(fù)盛名的愛丁堡公學(xué)就讀。
這一期間,小麥克斯韋住在他的姨母伊薩貝拉家中。這位姨母對小麥克斯韋進(jìn)行了悉心的照顧和教育,給他的人生造成了很多正向的影響。姨母的女兒,也就是小麥克斯韋的表姐,杰邁瑪,激發(fā)了小麥克斯韋在繪畫方面的興趣和熱愛。據(jù)不可靠消息,杰邁瑪也是小麥克斯韋的初戀對象。
15歲的時候,麥克斯韋在愛丁堡皇家協(xié)會學(xué)報(bào)上,發(fā)表了自己的第一篇論文——《卵形線》(Oval Curves),在當(dāng)?shù)匾鹆瞬恍〉霓Z動。
1847年,16歲的麥克斯韋如愿進(jìn)入了愛丁堡大學(xué)。此時的他,是班上年紀(jì)最小的學(xué)生,但成績卻總是名列前茅。他專攻數(shù)學(xué)物理,同時也接受了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)、邏輯學(xué)等學(xué)科的嚴(yán)格訓(xùn)練。
1850年,在征得父親同意的情況下,他轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。起初,他就讀于彼得學(xué)院,后來,按個人意愿,轉(zhuǎn)入了三一學(xué)院。在三一學(xué)院,他獲選加入了劍橋大學(xué)秘密的精英社團(tuán)——劍橋使徒。
在三一學(xué)院就讀時的麥克斯韋,手上拿的是自己發(fā)明的比色環(huán)。
1851年,他開始跟隨著名數(shù)學(xué)家威廉·霍普金斯學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。
1854年,也就是23歲的時候,麥克斯韋以第二名的成績從劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系畢業(yè),留校任教。
1855年,麥克斯韋讀到了大神法拉第的著作《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》,被書中各種各樣的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)所吸引,正式開始研究電磁學(xué),從此一發(fā)不可收拾(后面會詳細(xì)說)。
1856年,麥克斯韋來到蘇格蘭阿伯丁的馬歇爾學(xué)院,擔(dān)任自然哲學(xué)教授。當(dāng)時他只有25歲,比其他教授至少年輕15歲。
1858年6月,麥克斯韋迎娶了馬歇爾學(xué)院院長丹尼爾·迪尤爾的女兒——凱瑟琳·瑪麗·迪尤爾(Katherine Mary Dewar)。凱瑟琳比麥克斯韋大7歲,個子也比麥克斯韋高,長相美麗且性格開朗。兩人婚姻生活非常和諧美滿、浪漫甜蜜,后來育有兩個女兒。
麥克斯韋和凱瑟琳
1860年,馬歇爾學(xué)院與阿伯丁國王學(xué)院合并成為阿伯丁大學(xué)。盡管麥克斯韋已有一定的影響力,但仍未爭取到新學(xué)校的自然哲學(xué)教授職位,而且申請愛丁堡大學(xué)相同職位也未成功。無奈之下,經(jīng)人介紹,麥克斯韋到倫敦國王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授。
此時的麥克斯韋,進(jìn)入了自己人生階段中最為高產(chǎn)的一段時期。他在電磁領(lǐng)域的幾篇重要論文,都發(fā)表于這一時期。1861年,麥克斯韋當(dāng)選為倫敦皇家學(xué)會會員。
1865年,麥克斯韋辭去教職,和凱瑟琳一起回到家鄉(xiāng)格倫萊爾,開始系統(tǒng)地總結(jié)電磁學(xué)的研究成果。這一期間,他完成了電磁場理論的經(jīng)典巨著——《電磁通論》,并于1873年出版。
1871年,麥克斯韋受聘為劍橋大學(xué)首任實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授,并負(fù)責(zé)籌建該校第一所物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室——卡文迪什實(shí)驗(yàn)室。
1874年,卡文迪什實(shí)驗(yàn)室建成后,麥克斯韋擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室的第一任主任。
卡文迪許實(shí)驗(yàn)室后來舉世聞名,對整個實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其重要的影響,被譽(yù)為“諾貝爾物理學(xué)獎獲得者的搖籃”。
卡文迪許實(shí)驗(yàn)室舊址,這里產(chǎn)生了29位諾貝爾獎得主。
后來的麥克斯韋,一直在傾力照顧自己生病的妻子(之前是照顧生病的父親),心力交瘁。沒過多久,自己也被查出患病。
1879年11月5日,麥克斯韋在劍橋因胃癌逝世,享年僅48歲。
此時,他剛剛完成第二版《電磁通論》前九章的修訂。值得一提的是,他的母親當(dāng)年也是相同年齡因?yàn)橄嗤陌┌Y而去世的(也有說法是他母親死于肺結(jié)核)。
逝世后的麥克斯韋,葬于蘇格蘭西南部羅門湖(Loch Ken) 附近的一座教堂中。
▉ 麥克斯韋的成就與貢獻(xiàn)
好了,接下來,我們來看看麥克斯韋的人生成就。
一直以來,在學(xué)術(shù)界和歷史界,麥克斯韋都被賦予了極高的地位。他的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn),被認(rèn)為可以與牛頓、愛因斯坦比肩。
普通人可能會質(zhì)疑,麥克斯韋真的有這么牛嗎?竟然可以和牛爵爺、愛神平起平坐?他不就是搗鼓了一個麥克斯韋方程組嗎?值得封神嗎?
Hoho,麥克斯韋之所以民間名氣不夠大,就是吃了麥克斯韋方程組的虧。
你看牛爵爺?shù)娜蠖桑蹅冎袑W(xué)的時候就能看懂。公式的話,說來說去,也就是圍繞著“F=ma”轉(zhuǎn),非常簡單。
愛神的“相對論”嘛,反正大家都不懂,就知道很牛逼,就夠了。公式的話,E= mc 2 ,至少看起來簡單好記啊。
麥克斯韋的方程組呢,Duang,就是下面這個:
你看得懂不?記得住不?寫得來不?
也許你在大學(xué)的時候,曾經(jīng)看得懂,我相信現(xiàn)在已經(jīng)忘得差不多了吧?
上面這個,還是經(jīng)過天才物理學(xué)家奧利弗·亥維賽“改良”的版本,原版的麥克斯韋方程組有20個方程式,更要命。
所以說,麥克斯韋屬于那種一般人看不懂他為什么牛逼,而專業(yè)人士明明知道他牛逼,卻解釋不清楚他為什么牛逼的類型。
麥克斯韋的生平極少發(fā)生八卦新聞,他的名字也沒有像安培、赫茲、特斯拉一樣,成為物理學(xué)單位,這都影響了他在普通人眼里的知名度。
其實(shí),概括來說,麥克斯韋的最大貢獻(xiàn),就是共同參與電磁理論的奠基,搞清了光、電、磁的真相,最終幫助人類駕馭了電磁波。
沒有麥克斯韋,就沒有電磁波的廣泛應(yīng)用(或者說會晚很多年),不會有手機(jī)、無線電、廣播、微波爐、雷達(dá)、衛(wèi)星、CT、B超……人類社會,完全會是另外一番景象。歷史的發(fā)展,也會是另外一種結(jié)局。
我們回顧一下電磁理論的誕生過程。
1820年,丹麥科學(xué)家奧斯特通過偶然發(fā)現(xiàn)的磁針偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,提出電流存在磁效應(yīng)。
再后來,安培發(fā)現(xiàn)了一個更實(shí)用更簡單的計(jì)算電流周圍磁場的方式,這就是安培環(huán)路定理。安培還總結(jié)了一個很實(shí)用的規(guī)律,用于判斷電流產(chǎn)生磁場的方向,這就是大家非常熟悉的安培定則(也就是右手螺旋定則)。
再再后來,大神法拉第出場,經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),提出了電磁感應(yīng)定律(1831年),引入了電場和磁場的概念(1837年),指出電和磁周圍都有場的存在,打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。
邁克爾·法拉第(1791~1867)
然而,法拉第是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家,他小時候因?yàn)榧彝ジF困沒有受過正統(tǒng)教育,數(shù)學(xué)能力較弱,所以無法通過數(shù)學(xué)公式對自己的理論進(jìn)行證明,一直為此耿耿于懷。
法拉第的著作——《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》,從頭到尾沒有一個公式
在法拉第的默默召喚之下,上帝派來了數(shù)學(xué)兼物理雙料天才——麥克斯韋,幫助法拉第了卻心愿。
1855年,麥克斯韋發(fā)表了一篇論文——《論法拉第的力線》,第一次試圖將數(shù)學(xué)形式引入法拉第的力線概念,從而初步建立電與磁之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。這篇文章引起了物理學(xué)界的重視,也得到法拉第本人的贊揚(yáng)。
1862年,麥克斯韋發(fā)表了第二篇論文——《論物理學(xué)的力線》。在這篇論文中,他首次提出了“位移電流”和“電磁場”等新概念,對電磁理論給出了更完整的數(shù)學(xué)表述。
1864年,麥克斯韋發(fā)表了第三篇論文——《電磁場的動力學(xué)理論》。這篇論文中不僅給出了麥克斯韋方程,還首次提出了“電磁波”的概念。
麥克斯韋認(rèn)為,變化的電場會激發(fā)磁場,變化的磁場又激發(fā)電場。這種變化的電場磁場共同構(gòu)成了電磁場,電磁場以橫波的形式在空間傳播,就是電磁波。
麥克斯韋推算出電磁波的傳播速度,發(fā)現(xiàn)和光速非常接近,于是,他指出:“光與磁是同一物質(zhì)的兩種屬性,而光是按照電磁定律在電磁場中傳播的電磁擾動?!?/span>
以上這些突破性進(jìn)展,極大地驗(yàn)證了法拉第的電磁感應(yīng)定律,也讓法拉第可以不留遺憾地離開這個世界(1867年)。
法拉第是幸運(yùn)的,但麥克斯韋卻沒有那么好命。
雖然麥克斯韋通過完美的數(shù)學(xué)公式奠定了電磁理論的基礎(chǔ),但是,因?yàn)槔碚撨^于精深復(fù)雜,公式過于抽象,所以并未得到公眾的廣泛認(rèn)可。
在牛頓力學(xué)仍占主導(dǎo)的那個時期,麥克斯韋的理論遭到主流學(xué)術(shù)界的抵制,年輕學(xué)者也很少有人愿意追隨他。
據(jù)說,在麥克斯韋去世那年,當(dāng)他仍然堅(jiān)持不懈地宣傳電磁波理論時,只有2個聽眾愿意聽他上課,一個是來自美國的研究生,另一個是后來發(fā)明電子管的弗萊明。
他逝世后,主流學(xué)術(shù)界依舊沒有接受他的理論。
一直到他逝世的9年后,1888年,年輕的德國物理學(xué)家赫茲,通過實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了電磁波的存在,才真正驗(yàn)證了麥克斯韋理論的正確性。麥克斯韋的貢獻(xiàn)和地位,得以被全世界承認(rèn)。如果他泉下有知,也可以瞑目了。
在科學(xué)史上,人們普遍認(rèn)為,牛頓把天上和地上的運(yùn)動規(guī)律統(tǒng)一起來,是“第一次”大統(tǒng)一,而麥克斯韋把電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來,是“第二次”大統(tǒng)一。
值得一提的是,后來愛因斯坦受麥克斯韋方程組的刺激,想要以同樣的方法統(tǒng)一力場,將宏觀和微觀的兩種力放在同一組式子中,實(shí)現(xiàn)最終的“大一統(tǒng)理論”,結(jié)果沒搞成。不然的話,這個世界估計(jì)又是另外一個樣子了。。。
此外,麥克斯韋的《電磁學(xué)通論》,作為電磁學(xué)經(jīng)典著作,也經(jīng)常被拿來和牛頓的《自然哲學(xué)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。
所有這些,都足以證明麥克斯韋的偉大。
上面所說的貢獻(xiàn),還僅僅只是麥克斯韋在電磁理論方面的工作。除了電磁理論之外,麥克斯韋在光學(xué)、天文學(xué)、分子運(yùn)動論和熱力學(xué)等諸多領(lǐng)域也有非常深入的研究,對后世產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
例如著名的物理學(xué)四大神獸之一,麥克斯韋妖,就是麥克斯韋圍繞熱力學(xué)第二定律提出來的一個佯謬。
▉ 結(jié)語
回顧麥克斯韋出生和逝世年月,我們會發(fā)現(xiàn)兩個驚人的巧合——麥克斯韋出生的那一年,法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng);麥克斯韋去世的那一年,愛因斯坦出生。
愛因斯坦一生對麥克斯韋極為推崇,他后來取得的很多研究成果(狹義相對論等),都離不開麥克斯韋的前期貢獻(xiàn)。也有人戲稱,愛因斯坦是麥克斯韋的隔世弟子。
1931年,在麥克斯韋誕辰一百周年的紀(jì)念會上,愛因斯坦評價麥克斯韋的建樹,是“牛頓以來,物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作?!?/span>
量子論創(chuàng)立者普朗克也是麥克斯韋的忠實(shí)擁躉。他是這么評價麥克斯韋的:“他的光輝名字將永遠(yuǎn)鐫刻在經(jīng)典物理學(xué)的門扉上,永放光芒。從出生地來說,他屬于愛丁堡;從個性來說,他屬于劍橋大學(xué);從功績來說,他屬于全世界?!?/span>
來自20世紀(jì)最偉大天才們的肯定,足以說明這位19世紀(jì)最偉大天才的價值。不是嗎?
—— 全文完 ——
參考文獻(xiàn):
1、《麥克斯韋對人類的貢獻(xiàn)》,360doc;
2、《為什么麥克斯韋沒有牛頓和愛因斯坦有名?》,知乎 3、《與牛頓、愛因斯坦齊名,詹姆斯·克拉克·麥克斯韋生平簡介》,趣歷史 4、《麥克斯韋傳》,佚名 5、《麥克斯韋》,劉叔物理 6、百度百科,麥克斯韋詞條
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