12.17 簡明科學史(11):麥克斯韋 他何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

智力超群

1831年,法拉第發現了電磁感應定律,也是在這一年,麥克斯韋在蘇格蘭的愛丁堡出生。

麥克斯韋在愛丁堡接受了啟蒙教育,1847年,16歲的他進入愛丁堡大學學習,他是班上年紀最小的學生,但成績名列前茅,顯示出了非凡的才華。他不僅學習用功,還喜愛看課外書。

1850年,在用三年即完成了四年的大學學業後,19歲的麥克斯韋離開愛丁堡,進入了劍橋大學三一學院(牛頓曾經求學的地方)數學系學習。

簡明科學史(11):麥克斯韋 他何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

1854年,剛從劍橋畢業不久的麥克斯韋讀到了法拉第的《電學實驗研究》,在認真研究了這本著作後,他決定用數學來給法拉第的理論定性。

麥克斯韋畢業後留校任職了兩年,之後在蘇格蘭又進行了短暫的教學工作。1860年,麥克斯韋來到了倫敦國王學院擔任自然哲學和天文學教授,在那裡的幾年間,他碩果累累。他不僅描繪了土星光環,還發展出了色彩理論,拍攝出了第一張彩色照片。

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麥克斯韋方程組

1820年以前,物理學都是以牛頓的思想為基礎,1820年,奧斯特發現的電磁現象讓人們感到困惑,同年,法國科學家安培用數學方法總結了奧斯特的發現,創立了電動力學,1831年,法拉第發現了電磁感應定律。

簡明科學史(11):麥克斯韋 他何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

1855年,麥克斯韋開始潛心研究電磁學,他堅信法拉第的理論中蘊含著真理,他決定憑藉自己高深的數學造詣,把法拉第天才般的想法用準確的數學形式表示出來。他接連發表了三篇論文:《論法拉第的力線》、《論物理的力線》和《電磁場的動力學理論》,其中的麥克斯韋方程組將電磁場理論用完美的數學形式表示了出來。

麥克斯韋方程組總共有四個方程,分別是描述靜電的高斯電場定律、描述靜磁的高斯磁場定律、描述磁生電的法拉第定律和描述電生磁的安培-麥克斯韋定律。

簡明科學史(11):麥克斯韋 他何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

麥克斯韋方程組

何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

麥克斯韋方程組雖然有四個方程,但其中有三個半是在麥克斯韋之前就已經有了,只有第四個安培-麥克斯韋定律裡的半個是他加進去的。

如此而已,他為何被公認為可以與牛頓、愛因斯坦相提並論的人?

原因是,在麥克斯韋之前,電磁學領域已經產生了一堆實驗定律,但如何在雜亂無章的定律中建立一個完美的模型來描述整個電磁學,這是一件及其困難的事情。

但麥克斯韋憑藉自己天才的數學能力和物理直覺直接修改了安培的環路定理,修正了幾個定律之間的矛盾,還發現了電磁波。他的修正項表明時變電場可以產生磁場,而時變磁場又可以產生電場。


簡明科學史(11):麥克斯韋 他何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

麥克斯韋方程組描述了經典電磁學的一切,此前所有的電磁定律都可以由它推導出來,此前未能解決的問題也能從方程中尋到答案,它還能證明電磁波的存在。

麥克斯韋建立了麥克斯韋方程組,從而創立了經典電動力學,他還預言了電磁波的存在,提出了光的電磁說。他的方程證明電磁場有波浪式的傳播特性,這是物理學上的重要發現,這種波以光速傳播。因此,麥克斯韋方程組不僅是電磁學的基本定律,也是光學的基本定律。

他的《電磁學通論》(Treatise on Electricity and Magnetism,1873)是20世紀前繼牛頓的《自然哲學的數學原理》之後,首屈一指的物理學鉅作。

牛頓的經典力學為人類機械時代鋪平了道路,而麥克斯韋的電磁學則為人類打開了電氣時代的大門。


簡明科學史(11):麥克斯韋 他何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

卡文迪許實驗室

麥克斯韋著書之前籌建了劍橋大學的第一個物理實驗室——卡文迪許實驗室,並且在隨後的幾十年間,在那裡完成了大量重要的物理研究。

他還用特殊的數學方法描述了氣體中的原子如何在不同的溫度和壓力下產生影響。就在他剛剛完成氣體運動的主要研究不久後,在1879年11月5日,年僅48歲的他便因病而英年早逝。這一年愛因斯坦出生了。


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卡文迪許實驗室舊址

雖然麥克斯韋去世了,但他籌建的卡文迪許實驗室卻對整個實驗物理學的發展產生了及其重要的影響,這個實驗室甚至被譽為“諾貝爾物理學獎獲得者的搖籃”,許多著名的科學家都在該實驗室工作過。

麥克斯韋雖然是運用數學分析物理問題的大師,但他仍然非常重視實驗,在成立卡文迪許實驗室的就職演說中,他呼籲加強實驗物理學的研究,確立了後世的實驗科學精神。

簡明科學史(11):麥克斯韋 他何以與牛頓、愛因斯坦相提並論?

麥克斯韋


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