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麥克斯韋—電磁學(xué)集大成者的少年天才

 QPAQPA 2019-07-07

代物理學(xué)論天賦水平,成就最高的兩位無疑是牛頓和愛因斯坦,那么能排在第三位的科學(xué)巨匠首推麥克斯韋,在Maxwell之后的愛因斯坦曾這么評價過麥克斯韋“是牛頓以來,物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作”。

麥克斯韋1831年出生于蘇格蘭的愛丁堡,小時候的麥克斯韋有著優(yōu)越的家庭環(huán)境,他的父親是一名律師,但是卻熱愛研究科學(xué)現(xiàn)象和思考科學(xué)問題,這對年少的麥克斯韋產(chǎn)生了巨大的影響—一位科學(xué)巨匠的誕生。

麥克斯韋—電磁學(xué)集大成者的少年天才

麥克斯韋

麥克斯韋年少成名,從小就展現(xiàn)了過于常人的天賦,年僅14歲時發(fā)表了第一篇論文,關(guān)于對卵形線的一個討論—橢圓的推廣,一個極具天賦的物理學(xué)家往往具備天才般的數(shù)學(xué)能力。這為后世公認(rèn)的最美麗的方程奠定基礎(chǔ)。

1846年秋天,麥克斯韋進(jìn)入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理,三年后進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院,在劍橋的學(xué)習(xí)生涯,他打下了扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),為日后的數(shù)學(xué)分析和實(shí)驗(yàn)研究創(chuàng)造了條件。

麥克斯韋最大的科學(xué)成就就是統(tǒng)一了電磁場理論,在詳細(xì)說明說麥克斯韋成就之前,我們不得不提到另外兩位著名的物理學(xué)家奧斯特和法拉第,尤其是法拉第,后面筆者準(zhǔn)備專門介紹這位頗具傳奇的物理學(xué)家。

麥克斯韋—電磁學(xué)集大成者的少年天才

奧斯特

麥克斯韋—電磁學(xué)集大成者的少年天才

奧斯特小磁針實(shí)驗(yàn)

1820年,丹麥物理學(xué)家奧斯特在課堂上偶然發(fā)現(xiàn)通電導(dǎo)線對放在它下方的小磁針居然有作用力,令人驚訝的是,導(dǎo)線并沒有與小磁針有任何接觸。這個現(xiàn)象的出了電流可以產(chǎn)生磁場。這是人類第一次電和磁的親密接觸。奧斯特對這個現(xiàn)象倍感興趣,但是后來也沒有進(jìn)一步的解釋。

麥克斯韋—電磁學(xué)集大成者的少年天才

法拉第

時間在流逝,1827年,只有小學(xué)二年級畢業(yè)的法拉第開始著手電和磁,他想到既然電流可以產(chǎn)生磁場,那么磁場也可以產(chǎn)生電流。所以,他開始了一系列的物理實(shí)驗(yàn),他將一個長形磁鐵周圍繞制螺旋導(dǎo)線,導(dǎo)線回路中就電流表及電鍵開關(guān),起初,法拉第認(rèn)為只要電鍵開關(guān)閉合,電流表就會產(chǎn)生電流指示,可是事與愿違,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不是這樣;法拉第百思不得其解,實(shí)驗(yàn)一做就是四年,說來也巧,有一次法拉第再次做這個實(shí)驗(yàn)的時候,電鍵開關(guān)一直閉合,他將繞線磁鐵中的磁鐵抽走了,此時他發(fā)現(xiàn)電流表竟然有指示。因此,法拉第得出變化的磁場可以產(chǎn)生電流。

那么麥克斯韋如何能獲得如此高的評價呢?首先要說說麥克斯韋重要的三篇論文。

1860年,麥克斯韋完成了一個粉絲的愿望,專程拜訪了他的偶像法拉第。并且在1855年,麥克斯韋閱讀了法拉第的科學(xué)巨著,他十分贊同法拉第的科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),潛心研究法拉第的的《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》一書,他以法拉第的力線概念為指導(dǎo),透過這些雜亂無章的實(shí)驗(yàn)記錄,分析總結(jié)出其中一些統(tǒng)一的簡單的規(guī)律,于是,他發(fā)表了《論法拉第力線》。在這篇文章中法拉第力線得到精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)描述。在這篇論文中,麥克斯韋將法拉第描繪的力線延伸為裝滿了不可壓縮流體的“力管”,這力管的方向代表力場(電場或磁場)的方向,

1861年,麥克斯韋發(fā)表第二篇重要論文《論物理力線》,在這篇論文中,他闡述了可以比擬各種電磁現(xiàn)象的“分子渦流理論”,和電勢移的概念,又論定光波和電磁波。

1865年,麥克斯韋發(fā)表第三篇重要論文《電磁場的動力學(xué)理論》,在這篇論文中,他首次系統(tǒng)的成列出麥克斯韋方程組。麥克斯韋又應(yīng)用于早前在1861年的論文《論物理力線》提出的位移電流的概念,來推到電磁波方程。由于這導(dǎo)引將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)聯(lián)結(jié)成一個統(tǒng)一理論。這創(chuàng)舉現(xiàn)在被學(xué)術(shù)界公認(rèn)為物理學(xué)史的重大里程碑。

強(qiáng)大的數(shù)學(xué)能力,總結(jié)出歷史上最優(yōu)美的方程:麥克斯韋方程組。它具有電磁學(xué)的包羅萬象,也具有強(qiáng)烈的對稱性與自洽性,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

麥克斯韋—電磁學(xué)集大成者的少年天才

最美公式----麥克斯韋方程組

其中 E表示電場, B表示磁場, e0為真空電容率,u0為真空磁導(dǎo)率,I為電流。

麥克斯韋預(yù)言光就是電磁波。

麥克斯韋還經(jīng)過推算證明:如果在真空中存在一個振蕩的電場,那么在振蕩電場的周圍就會產(chǎn)生磁場,而這個磁場又會進(jìn)一步產(chǎn)生電場…如此循環(huán)往復(fù),電磁場就可以向遠(yuǎn)處傳播,形成電磁波。麥克斯韋計算了電磁波的速度,發(fā)現(xiàn)電磁波在真空中的速度剛好等于光速,于是大膽預(yù)言:光就是一種電磁波。有了電磁波,就有了現(xiàn)代的無線通信。

麥克斯韋—電磁學(xué)集大成者的少年天才

電和磁互相感應(yīng)形成電磁波

后來,赫茲通過實(shí)驗(yàn)證明電磁波的存在。

牛頓說過“我之所以看的遠(yuǎn),是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏稀薄?/strong>

有的人說,麥克斯韋只是總結(jié)了前人的研究成果。這種看法是極其錯誤的,麥克斯韋生在電磁學(xué)已經(jīng)打好基礎(chǔ)的年代, 他沒有辜負(fù)時代的要求, 及時地總結(jié)了已有的成就; 他受到法拉第力線思想的鼓舞, 又得到W. 湯姆生類比研究的啟發(fā); 他深刻地洞察了以紐曼和韋伯為代表的大陸派電動力學(xué)的困難和不協(xié)調(diào)因素, 看穿那種力圖把電磁現(xiàn)象歸于力學(xué)體系的超距作用理論的根本弱點(diǎn), 決心致力于近距作用理論。他從類比研究入手, 開始只是借用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具定量地表述法拉第的力線圖象。后來, 他感到有必要對力線的布及其應(yīng)力性質(zhì)給予機(jī)理性的說明, 乃轉(zhuǎn)而運(yùn)用模型理論。在這個過程中, 他敏銳地抓住了位移電流和電磁波這兩個關(guān)鍵概念。最后, 他終于甩掉一切機(jī)械論點(diǎn), 徑直把電磁場作為客體擺在電磁理論的核心地位, 從而開創(chuàng)了物理學(xué)又一個新的起點(diǎn)。

小時候的麥克斯韋由于家境殷實(shí),小麥克斯韋又受到父親的影響,逐漸對科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣,他的父親經(jīng)常帶他參加愛丁堡皇家學(xué)會組織的研討會,那時候的麥克斯韋就能夠侃侃而談,表達(dá)自己對科學(xué)的思考,著實(shí)讓人羨慕。

從對孩子的教育來說,也讓我們很有感觸,麥克斯韋的家庭尤其是他的父親讓麥克斯韋堅定,執(zhí)著,嚴(yán)謹(jǐn)和十分熱愛科學(xué),他的每一篇論文發(fā)表,都會做大量的實(shí)驗(yàn),最終確保每一句表述正確性;這都值得我們研究科學(xué)與實(shí)際生活中學(xué)習(xí)。

令人遺憾的是,1879年,麥克斯韋與世長辭,享年39歲。他的生命雖然很短暫,但是他的思想和學(xué)術(shù)成就卻改變了人類,并且永遠(yuǎn)值得我們學(xué)習(xí)。

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