麥克斯韋,到底有多牛?
2020-10-13 10:02

麥克斯韋,到底有多牛?

本文來自微信公眾號:鮮棗課堂(ID:xzclasscom),作者:小棗君,題圖來自:維基百科


18~19世紀的歐洲,就像開了掛一樣,誕生了不計其數的天才科學家。


這些天才科學家取得的輝煌成就,奠定了現代學科的理論基礎,為20世紀人類科技的全面騰飛創造了條件。


以我們通信行業為例,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展起來的技術。而電磁理論,就是18~19世紀奠基完成的。


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,全名是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell),英國著名物理學家、數學家。除了奠定電磁理論、開創經典電動力學之外,他還是統計物理學的奠基人之一。


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,是因為克拉克家族和麥克斯韋家族關系深厚,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。


幼年時期的麥克斯韋,雖然家境殷實,但因為口音濃重等問題經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責。


8歲那年,麥克斯韋的母親患病去世,導致他變得更加沉默寡言。


不過,幸運的是,麥克斯韋的父親并沒有放棄對他的關愛,積極鼓勵和陪伴他成長。他父親發現,兒子經常畫一些幾何圖形,于是,親自教導他學習數學。


當時,他父親還聘請了一名家教對他進行指導。然而,這名家教對小麥克斯韋極為尖酸刻薄,經常責罵他遲鈍、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盛名的愛丁堡公學就讀。


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,激發了小麥克斯韋在繪畫方面的興趣和熱愛。據不可靠消息,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會學報上,發表了自己的第一篇論文——《卵形線》(Oval Curves),在當地引起了不小的轟動。


1847年,16歲的麥克斯韋如愿進入了愛丁堡大學。此時的他,是班上年紀最小的學生,但成績卻總是名列前茅。他專攻數學物理,同時也接受了實驗物理學、邏輯學等學科的嚴格訓練。


1850年,在征得父親同意的情況下,他轉入劍橋大學。起初,他就讀于彼得學院,后來,按個人意愿,轉入了三一學院。在三一學院,他獲選加入了劍橋大學秘密的精英社團——劍橋使徒。


在三一學院就讀時的麥克斯韋,手上拿的是自己發明的比色環。


1851年,他開始跟隨著名數學家威廉·霍普金斯學習數學。


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三一學院數學系畢業,留校任教。


1855年,麥克斯韋讀到了大神法拉第的著作《電學實驗研究》,被書中各種各樣的電磁感應實驗所吸引,正式開始研究電磁學,從此一發不可收拾(后面會詳細說)。


1856年,麥克斯韋來到蘇格蘭阿伯丁的馬歇爾學院,擔任自然哲學教授。當時他只有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。


1860年,馬歇爾學院與阿伯丁國王學院合并成為阿伯丁大學。盡管麥克斯韋已有一定的影響力,但仍未爭取到新學校的自然哲學教授職位,而且申請愛丁堡大學相同職位也未成功。無奈之下,經人介紹,麥克斯韋到倫敦國王學院任自然哲學和天文學教授。


此時的麥克斯韋,進入了自己人生階段中最為高產的一段時期。他在電磁領域的幾篇重要論文,都發表于這一時期。1861年,麥克斯韋當選為倫敦皇家學會會員。


1865年,麥克斯韋辭去教職,和凱瑟琳一起回到家鄉格倫萊爾,開始系統地總結電磁學的研究成果。這一期間,他完成了電磁場理論的經典巨著——《電磁通論》,并于1873年出版。


1871年,麥克斯韋受聘為劍橋大學首任實驗物理學教授,并負責籌建該校第一所物理學實驗室——卡文迪什實驗室。


1874年,卡文迪什實驗室建成后,麥克斯韋擔任實驗室的第一任主任。


卡文迪許實驗室后來舉世聞名,對整個實驗物理學的發展產生了極其重要的影響,被譽為“諾貝爾物理學獎獲得者的搖籃”。


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,他的母親當年也是相同年齡因為相同的癌癥而去世的(也有說法是他母親死于肺結核)。


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。


麥克斯韋的墓碑


麥克斯韋的成就與貢獻


好了,接下來,我們來看看麥克斯韋的人生成就。


一直以來,在學術界和歷史界,麥克斯韋都被賦予了極高的地位。他的學術貢獻,被認為可以與牛頓、愛因斯坦比肩。


普通人可能會質疑,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。


你看牛爵爺的三大定律,咱們中學的時候就能看懂。公式的話,說來說去,也就是圍繞著“F=ma”轉,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=mc2,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?


也許你在大學的時候,曾經看得懂,我相信現在已經忘得差不多了吧?


上面這個,還是經過天才物理學家奧利弗·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,成為物理學單位,這都影響了他在普通人眼里的知名度。


其實,概括來說,麥克斯韋的最大貢獻,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用(或者說會晚很多年),不會有手機、無線電、廣播、微波爐、雷達、衛星、CT、B超……人類社會,完全會是另外一番景象。歷史的發展,也會是另外一種結局。



我們回顧一下電磁理論的誕生過程。


1820年,丹麥科學家奧斯特通過偶然發現的磁針偏轉現象,提出電流存在磁效應。


此后不久,畢奧和薩伐爾在大佬拉普拉斯的幫助下,提出了著名的畢奧—薩伐爾定律,可以算出任意電流在空間中產生磁場的大小。但是這種方法在實際使用的時候比較繁瑣。


再后來,安培發現了一個更實用更簡單的計算電流周圍磁場的方式,這就是安培環路定理。安培還總結了一個很實用的規律,用于判斷電流產生磁場的方向,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,經過反復實驗,提出了電磁感應定律(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“超距作用”的傳統觀念。


然而,法拉第是一位實驗物理學家,他小時候因為家庭窮困沒有受過正統教育,數學能力較弱,所以無法通過數學公式對自己的理論進行證明,一直為此耿耿于懷。


法拉第的著作——《電學的實驗研究》,從頭到尾沒有一個公式


在法拉第的默默召喚之下,上帝派來了數學兼物理雙料天才——麥克斯韋,幫助法拉第了卻心愿。


1855年,麥克斯韋發表了一篇論文——《論法拉第的力線》,第一次試圖將數學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學關系。這篇文章引起了物理學界的重視,也得到法拉第本人的贊揚。


1862年,麥克斯韋發表了第二篇論文——《論物理學的力線》。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學表述。


1864年,麥克斯韋發表了第三篇論文——《電磁場的動力學理論》。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。


麥克斯韋認為,變化的電場會激發磁場,變化的磁場又激發電場。這種變化的電場磁場共同構成了電磁場,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,發現和光速非常接近,于是,他指出:“光與磁是同一物質的兩種屬性,而光是按照電磁定律在電磁場中傳播的電磁擾動?!?/strong>


以上這些突破性進展,極大地驗證了法拉第的電磁感應定律,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學公式奠定了電磁理論的基礎,但是,因為理論過于精深復雜,公式過于抽象,所以并未得到公眾的廣泛認可。


在牛頓力學仍占主導的那個時期,麥克斯韋的理論遭到主流學術界的抵制,年輕學者也很少有人愿意追隨他。


據說,在麥克斯韋去世那年,當他仍然堅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,另一個是后來發明電子管的弗萊明。


他逝世后,主流學術界依舊沒有接受他的理論。


一直到他逝世的9年后,1888年,年輕的德國物理學家赫茲,通過實驗首次證實了電磁波的存在,才真正驗證了麥克斯韋理論的正確性。麥克斯韋的貢獻和地位,得以被全世界承認。如果他泉下有知,也可以瞑目了。


在科學史上,人們普遍認為,牛頓把天上和地上的運動規律統一起來,是“第一次”大統一,而麥克斯韋把電學、磁學、光學統一起來,是“第二次”大統一。


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一力場,將宏觀和微觀的兩種力放在同一組式子中,實現最終的“大一統理論”,結果沒搞成。不然的話,這個世界估計又是另外一個樣子了……


此外,麥克斯韋的《電磁學通論》,作為電磁學經典著作,也經常被拿來和牛頓的《自然哲學的數學原理》(力學)、達爾文的《物種起源》(生物學)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,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、天文學、分子運動論和熱力學等諸多領域也有非常深入的研究,對后世產生了深遠影響。


例如著名的物理學四大神獸之一,麥克斯韋妖,就是麥克斯韋圍繞熱力學第二定律提出來的一個佯謬。


結語


回顧麥克斯韋出生和逝世年月,我們會發現兩個驚人的巧合——麥克斯韋出生的那一年,法拉第發現了電磁感應;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。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念會上,愛因斯坦評價麥克斯韋的建樹,是“牛頓以來,物理學最深刻和最富有成果的工作?!?/strong>


量子論創立者普朗克也是麥克斯韋的忠實擁躉。他是這么評價麥克斯韋的:“他的光輝名字將永遠鐫刻在經典物理學的門扉上,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;從功績來說,他屬于全世界?!?/p>


來自20世紀最偉大天才們的肯定,足以說明這位19世紀最偉大天才的價值。不是嗎?


參考文獻:

1. 《麥克斯韋對人類的貢獻》,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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