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爱因Stan齐名,Mike斯韦

2019-10-21 23:56

  29. 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
[美]迈克尔·H·哈特 著 苏世军 周宇 译

麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果,建立了第一个完整的电磁理论体系,不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性,完成了物理学的又一次大综合。这一理论自然科学的成果,奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。 麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡,他的父亲原是律师,但他的主要兴趣是在制作各种机械和研究科学问题,他这种对科学的强烈爱好,对麦克斯韦一生有深刻的影响。麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学, 14岁在中学时期就发表了第一篇科学论文《论卵形曲线的机械画法》,反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16岁进入爱丁堡大学学习物理,三年后,他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥学习时,打下了扎实的数学基础,为他尔后把数学分析和实验研究紧密结合创造了条件。他阅读了W.汤姆生的科学著作,他十分赞同法拉第提出的新观点,并且精心研究法拉第的《电学的实验研究》一书。他以法拉第的力线概念为指导,透过这些似乎杂乱无章的实验记录,看出了它们之间实际上贯穿着一些简单的规律。于是,他发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。在这篇论文中,法拉第的力线概念获得了精确的数学表述,并且由此导出了库仑定律和高斯定律。这篇文章还只是限于把法拉第的思想翻译成数学语言,还没有引导到新的结果。1862年他发表了第二篇论文《论物理力线》,不但进一步发展了法拉第的思想,扩充到磁场变化产生电场,而且得到了新的结果:电场变化产生磁场,由此预言了电磁波的存在,并证明了这种波的速度等于光速,揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦研究电磁理论达到的主要结果。1864年他的第三篇论文《电磁场的动力学理论》,从几个基本实验事实出发,运用场论的观点,以演绎法建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电学和磁学论》一书是集电磁学大成的划时代著作,全面地总结了19世纪中叶以前对电磁现象的研究成果,建立了完整的电磁理论体系。这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。 麦克斯韦在总结前人工作的基础上,引入位移电流的概念,建立了一组微分方程。这方程组确定电荷、电流、电场、磁场之间的普遍联系,是电磁学的基本方程,麦克斯韦方程组表明,空间某处只要有变化的磁场就能激发出涡旋电场,而变化的电场又能激发涡旋磁场。交变的电场和磁场互相激发就形成了连续不断的电磁振荡即电磁波。麦克斯韦方程还说明,电磁波的速度只随介质的电和磁的性质而变化,由此式可证明电微波在以太中传播的速度,等于光在真空中传播的速度。这不是偶然的巧合,而是由于光和电磁波在本质上是相同的。光是一定波长的电磁波,这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。 麦克斯韦被大多数近代物理学家看作是19世纪的科学家,但他对20世纪的物理学影响很大,他与牛顿和爱因斯坦齐名。1931年爱因斯坦在麦克斯韦生辰百年纪念会上曾指出:麦克斯韦的工作“是牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作”,从而使物理现实的概念得到了改变。麦克斯韦提出的电磁辐射的概念和他的场方程组,是根据法拉第的电力线和磁力线的实验观察提出来的,从而引出了爱因斯坦的狭义相对论,并建立了质量和能量的等效性原理。使麦克斯韦成为历史上最伟大的科学家之一的工作是他关于电磁学的研究,麦克斯韦说,他最重要的工作是把法拉第的物理观点用数学表达出来。麦克斯韦曾表示电磁波是能在实验室内产生的,这种可能性首先由赫兹在1887年实现了,这时麦克斯韦以去世8年。所以,具有广泛应用价值的无线电工业实际上来源于麦克斯韦的著述。在电磁理论以外,麦克斯韦在物理学其他领域中也有重大贡献。20多岁时麦克斯韦曾写过一篇有关土星的论文证实土星外围的那些换都是由一块块不相粘附的物质组成的,100多年以后当一架“航行者”太空推测器到达土星周围时,证实了这一理论。1871年麦克斯韦被推选为卡文迪什讲座教授。他设计了卡文迪什实验室,而且亲自监督施工。 麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面,同时在天体物理学、气体分子运动论、热力学、统计物理学等方面,都作出了卓越的成绩。正如量子论的创立者普朗克(Max Plank l858—1947)指出的:“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上,永放光芒。从生地来说,他属于爱丁堡;从个性来说,他属于剑桥大学;从功绩来说,他属于全世界”。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831~1879)是英国杰出的理论物理学家、数学家,经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人之一,他被誉为是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家,与牛顿和爱因斯坦齐名。

公元1831~公元1879

2015年距离阿拉伯学者海什木的5卷本光学著作诞生恰好1000年。为了纪念千年来人类在光学领域的重大发现,尤其是光技术在世界各国的能源、工农业生产和医疗卫生等领域中所占的举足轻重的地位,联合国大会决定将2015年定为「光和光基技术国际年」。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是伟大的英国物理学家,他由于列出了表达电磁基本定律的四元方程组而闻名于世。在麦克斯韦以前的许多年间,人们就对电和磁这两个领域进行了广泛的研究,人们都知道这两者是密切相关的。适用于特定场合的各种电磁定律已被发现,但是在麦克斯韦之前却没有形成完整、统一的学说。麦克斯韦用列出的简短四元方程组(但却非常复杂),就可以准确地描绘出电磁场的特性及其相互作用的关系。这样他就把混乱纷纭的现象归纳成为一种统一完整的学说。麦克斯韦方程在理论和应用科学上都已经广泛应用一个世纪了。

在光学的千年发展史中,麦克斯韦创立的电磁场理论无疑是一座难以逾越的高峰。没有电磁学就没有现代光学、电工学、电子学,就不大概有电气化和通讯技术,也就不大概有现代文明。

麦克斯韦方程的最大优点在于它的通用性,它在任何情况下都可以应用。在此以前所有的电磁定律都可由麦克斯韦方程推导出来,许多从前没能解决的未知数也能从方程推导过程中寻出答案。

本文简要介绍了麦克斯韦光辉灿烂的人生以及对科学的卓越贡献。

这些新成果中最重要的是由麦克斯韦自己推导出来的。根据他的方程可以证明出电磁场的周期振荡的存在。这种振荡叫电磁波,一旦发出就会通过空间向外传播。根据方程,麦克斯韦就可以表达出电磁波的速度接近300000公里(186000英里)/秒,麦克斯韦认识到这同所测到的光速是一样的。由此他得出光本身是由电磁波构成的这一正确结论。

短暂而亮丽的人生

因此,麦克斯韦方程不仅是电磁学的基本定律,也是光学的基本定律。的确如此,所有先前已知的光学定律可以由方程导出,许多先前未发现的事实和关系也可由方程导出。

麦克斯韦(1831~1879)出生于苏格兰首府爱丁堡。他的父亲是一位思想开放、思维敏锐、注重实际的机械设计师,对麦克斯韦影响非常大,使他较早地受到科学的薰陶。麦克斯韦在15岁那年向皇家学会递交了一篇数学论文,并发表在《皇家学院学报》上。16岁时他考进了爱丁堡大学学习数学和物理,19岁时又转入剑桥大学,跟随著名数学家霍普金斯专攻数学。

可见光并不是唯一的一种电磁幅射。麦克斯韦方程表明与可见光的波长和频率不同的其它电磁波也可能存在。这些从理论上得出的结论后来被海因利茨·赫兹公开演示证明了。赫兹不仅生产出而且检验出了麦克斯韦预言存在的不可见光波。几年以后,伽格利耶尔摩·马可尼证明这些不可见光波可以用于无线电通讯,无线电随之问世。今天我们也用不可见光为电视通讯。X线、γ线、红外线、紫外线都是电磁波幅射的其它一些例子。所有这些射线都可以用麦克斯韦方程来加以研究。

1860年至1868年间麦克斯韦任伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授,1871年受聘剑桥大学首任实验物理学教授,并负责筹建该校第一所物理学实验室——卡文迪什物理实验室。1874年该实验室竣工后,他又被任命为该实验室的第一任主任。1879年11月5日这位科学泰斗因病在剑桥逝世,年仅49岁。

虽然麦克斯韦成名主要是在于他对电磁学和光学做出的巨大贡献,但是他对许多其它学科也做出了重要的贡献,其中包括天文学和热力学。他的特殊兴趣之一是气体运动学。麦克斯韦认识到并非所有的气体分子都按同一速度运动。有些分子运动慢,有些分子运动快,有些以极高速度运动。麦克斯韦推导出了求已知气体中的分子按某一速度运动的百分比公式,这个公式叫做“麦克斯韦分布式”,是应用最广泛的科学公式之一,在许多物理分支中起着重要的作用。

电磁理论研究

麦克斯韦1831年生于苏格兰爱丁堡。他的智力发育格外早,年仅十五岁时,就向爱丁堡皇家学院递交了一份科研论文。他就读于爱丁堡大学,毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授,最后是在剑桥大学任教。他结过婚,但没有孩子。一般认为麦克斯韦是从牛顿到爱因斯坦这一整个阶段中最伟大的理论物理学家。1879年他在临近48岁生日之际因病与世长辞。他光辉的生涯就这样过早地结束了。

在先前以及同时代物理学家工作的基础上,麦克斯韦以其坚忍不拔的科学精神,丰富的物理与数学知识,以及高超的睿智才思,呕心沥血,刻苦攻关,终于构筑了一座集真、善、美于一体的电磁学理论大厦。

当麦克斯韦刚刚开始电磁学研究时,电磁学才走过了短短数十年的历程。1785年法国物理学家库仑公布了用扭秤实验得到电力的平方反比定律,即库仑定律,使电学进入了定量研究的阶段。1820年丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应,随后英国物理学家法拉第经过近十年的实验,在1831年发现了电磁感应现象,即磁产生电的效应。法拉第反对超距作用说法,坚信电磁的近距作用,以为物质之间的电力和磁力都需要由媒介传递,由此提出了「场」的概念。为了进一步解释场,对于磁相互作用,法拉第使用了磁力线;对于电相互作用,他使用了电力线(1837~1838年),如此等等。法拉第力线为用场论的方法统一解释各种物理现象提供了一条行之有效的途径,包含有丰富的数学内容。然而出身贫寒,无法受到较多教育的法拉第,对此却无能为力。

如上所述,靠自学走上科学道路的法拉第,习惯以直观形象的方式来表达他所发现的电磁感应现象。但是对于一般的物理学家而言,他们因恪守牛顿的物理学理论,而对法拉第的学说感到不可思议。例如有位天文学家曾公开宣称:「谁要在确定的超距作用和模糊不清的力线观念中有所迟疑,那就是对牛顿的亵渎!」

麦克斯韦在剑桥求学期间读到了法拉第的《电学实验研究》,深深地为法拉第的思想所吸纳,但同时也看到了法拉第在定量表述上的缺陷。而麦克斯韦本人数学非常好,获得过三一学院数学竞赛奖和斯密思数学奖。抱着给法拉第的理论「提供数学方法基础」的愿望,麦克斯韦下定决心将法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。

三篇大作

1855年他发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。受物理学家威廉·汤姆孙(后受封为开尔文勋爵)的启发,麦克斯韦把「力线」和不可压缩流体进行类比,塑造了电力线的数学模型。把电、磁学中的物理量从数学角度加以分类,提出「源」和「旋」的概念,同时还把流体中的通量和环流移植到电磁学中。虽然这篇论文从总体上可以说是对法拉第力线概念的「数学翻译」,但这却是麦克斯韦所迈开的至关重要的一步。后来麦克斯韦和法拉第在伦敦见面,法拉第鼓励年轻的麦克斯韦不仅仅要用数学来解释他的理论,还应当作出进一步的突破!麦克斯韦倍受鼓舞。

从1861~1862年,麦克斯韦在英国的《哲学杂志》上分四部分发表了他的第二篇电磁学论文《论物理力线》,比第一篇有了质的飞跃。麦克斯韦认识到类比方法固然可以抽象出来各种物理现象之间的共性,能迅速地推汇出电磁场的一般规律,却忽略了物理现象自身的特性。换句话说,电磁现象有别于流体力学现象,就是电与磁也各自存在独特的性质。

麦克斯韦在这篇文章中假设了一个新的模型「分子涡旋」。在这个模型的基础上,引入了「电位移」的概念,从更高的层次上创造性地提出了「位移电流」和「涡旋电场」的两大重要假设。

1865年,麦克斯韦发表了他的第三篇电磁学论文《电磁场的动力学理论》。这是一篇关于电磁场理论最重要的总结性论文。这篇论文的目的,就是用动力学的方法,全面概括电磁场的运动特征和建立电磁场的方程。在这篇论文中,麦克斯韦明确宣告他提出的理论可以称为「电磁场的理论」。

确立电磁场理论

麦克斯韦为了把电磁场理论由介质推广到空间,假设在空间存在一种动力学以太,它有一定的密度,具有能量和动量:它的动能体现磁的性质,势能体现电的性质,它的动量是电磁最基本的量,表示电磁场的运动性质和传力的特征。麦克斯韦在这个基础上提出了一共包含20个变数的20个方程式,即著名的麦克斯韦方程组。奥利弗·赫维赛德和约西亚·吉布斯于1884年以向量分析的形式重新构建了该方程组,其微分形式为

这个方程组是麦克斯韦电磁理论的核心所在。

随后,麦克斯韦辞去了皇家学院的工作,回到家乡格伦莱庄园专心写书。在1873年出版了他的电磁学专著《电磁学通论》。在这本著作中,麦克斯韦系统地总结了19世纪中叶前后,库仑、安培、奥斯特、法拉第和他本人对电磁现象的研究成果,建立了完整的电磁理论。这部钜著有著划时代的历史意义,可与牛顿的《自然哲学的数学原理》、达尔文的《物种起源》相提并论。从库仑、安培、奥斯特,经法拉第、汤姆孙最后到麦克斯韦,通过几代人的不懈努力,电磁理论的巨集伟大厦,终于建立起来。

麦克斯韦方程组的对称美,非常久以前就已被科学家们所领悟和体味,并且该方程组长期以来也一直被科学界奉为科学美的力作,德国物理学家劳厄称它是「美学上真正完美的对称形式」。今天,崇尚科学美已成为现代科学精神的一个极其重要的组成部分。那么麦克斯韦方程组所渗透出的科学美,是怎样呈现今我们面前的呢?

探索科学美

从数学形式上看,麦克斯韦方程组具有几乎完美的对称形式。在真空中假如没有电荷也不存在电流,麦克斯韦方程组微分形式可以写成

把公式中的E和B互换,得到,

电场强度E和磁感应强度B的散度公式经过互换后保持不变,从数学上来讲两者是完全对称的。而旋度公式互换后仅相差一个负号,具有「反对称性」,因此可以以为电场强度和磁感应强度具有空间对称性和时间对称性。

从物理内容上看,麦克斯韦方程组揭示了现实物理世界的对称美。在电流不连续的区域,麦克斯韦方程组引入了「位移电流」的概念,它和涡旋电场这两个物理概念是完全对称的。涡旋电场代表变化的磁场产生电场,位移电流的本质则是变化的电场产生磁场。两个假设使电场和磁场的地位完全对等;完善的对称性决定了变化的电场和磁场可以相互转化,致使电场和磁场二者相互交织、结合成统一的电磁场整体。这个理论在科学史上具有重要意义,即预言了电磁波的存在——交变的电场和磁场相互激发,以横波的形式在空间传播,这就是电磁波。

麦克斯韦对电磁波的波速作进一步的计算,发现电磁波的速度只与介质的电磁性质有关,在以太中传播的速度,等于光在真空中传播的速度。这不是偶然的巧合。麦克斯韦以为「这一速度与光速如此接近,看来,我们有充足的理由断定,光自己是以波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁扰动」。这就是麦克斯韦创立的光的电磁学说。

通过这个理论,麦克斯韦把电、磁完美的统一起来,并且把光也包括了进来。麦克斯韦逝世9年后的1888年,德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在,电磁场理论取得了决定性胜利。在近代科学史上,这是继牛顿统一物体相互作用和运动规律以后实现的第二次物理学大综合,深刻地影响了人们对物质世界的认识。同时实现了从对称美到统一美,也是美学在物理上的重大成果。

在《物理学的进化》一书中,爱因斯坦和英费尔德评论说:「这些方程的提出是牛顿时代以来物理学上一个最重要的事件,这不仅是因为它的内容丰富,而且还因为它构成了一种全新定律的典范。」

对麦克斯韦方程组对称美的深入研究实质上推动了近代物理的发展。方程组在伽利略变换中具有不对称性,是否说方程组的对称美不可以经受物理变换的考验?回答是否定的。经过研究,发现了麦克斯韦方程组在洛仑兹变换下仍然保持对称性,而伽利略变换仅是洛仑兹变换在速度远小于光速时的极限。因此,麦克斯韦方程实际具有更高层次的对称性。

爱因斯坦仔细审视了当时物理学的发展过程,以为这是一个实验—方程式—对称性的过程。他决定把整个过程逆向进行,从对称性的角度出发进行研究。即先提出一个对称来,然后问什么方程式是否符合这个对称,再问这个方程式的结果会有什么实验?他做了七八年工作以后,得到了狭义相对论,这是对称美在现代物理的又一重大成果。杨振宁先生把这种思想称为「对称性支配相互作用」原理。

麦克斯韦方程组的对称性对近代物理的另一个启示是磁单极子。变化的电场激发磁场,变化的磁场就会激发电场;但是电荷能激发电场,却没有相应的磁荷激发磁场;有运动电荷激发磁场,却没有运动的磁荷激发电场。如果磁荷存在,电磁场就能实现完全对称。正是这种对称性的思想,使汤姆逊等人在20世纪初就萌发了磁荷大概存在的猜想。虽然日前还没有实验能证实磁单极子的存在,但它一直是当代物理学中基础理论研究和实验的重要课题,被看做解决一系列涉及微观世界和巨集观世界重大问题的突破口。

超越时空的奉献

麦克斯韦电磁理论的伟大无需多言,但他的电磁理论在他生前并未得到充分的重视。造成这种情况大致有两点原因,一是麦克斯韦本人过于谦逊和低调,没有充分地为自个的理论进行宣传和据理力争;二是麦克斯韦理论相对于它所处的时代而言过于超前了。在当时的自然观背景下,人们非常难理解电磁场理论所描绘的世界图景。

今天,麦克斯韦之所以被看作是与牛顿和爱因斯坦齐名的科学家,是因为电磁学以其不可思议的有效性和无穷的生命力,强有力地推动着全人类科学事业的蒸蒸日上,进而为现代人谋福利。例如:物质电磁性质的研究推动了材料科学的发展,建立在电磁场理论基础上的光学研究拓宽了光学研究领域,如此等等,不一而足。

而对于普通人来讲,感受最直接、最深刻的无疑是对电磁波和电磁辐射的研究导致的资讯传输技术的飞跃。传统的纸质媒体一般称为第一媒体,以电磁波为媒介的广播和电视媒体则分别称为第二媒体、第三媒体,相比于纸质媒体具有资讯传播及时,传播范围广泛等优点,一直是家庭、个人的首选。自20世纪60年代开始,「光纤之父"高锟提出在电话网路中以光波代替电流,以玻璃纤维代替金属导线传递资讯,掀起了一场光纤通讯的革命。光纤通讯具有传输容量大,保密性好等优点,是现代通讯的主要支柱之一,美、日、英、法等20多个国家己宣布不再建设电缆通讯线路,致力于发展光纤通讯。在此基础上更是衍生了光纤网路,被以为宽频网路中多种传输媒介中最理想的一种。正是依赖于光纤提供的网速,才成就了今日几乎无处不在、无所不可以的网际网路。

除了在电磁学等方面的卓越贡献,麦克斯韦设计并建立的卡文迪什实验室科研效率之惊人,成果之丰硕,举世无双,在鼎盛时期甚至获誉「全世界二分之一的物理学发现都来自卡文迪什实验室。"电子、质子、中子和DNA的发现就是其中的几个典型的案例。

正如量子论的创立者普朗克指出的:「麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门扉上,永放光芒。从出生地来讲,他属于爱丁堡;从个性来讲,他属于剑桥大学;从功绩来讲,他属于全世界。」

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