麦克斯韦,到底有多摩鑫平台牛

2020-10-12

18~19 世纪的欧洲,摩鑫平台就像开了挂一样,诞生了不计其数的天才科学家。

这些天才科学家取得的辉煌成就,奠定了现代学科的理论基础,为 20 世纪人类科技的全面腾飞创造了条件。

以我们通信行业为例,目前我们最前沿的通信科技,不管是 5G,还是 Wi-Fi 6,都是基于电磁理论发展起来的技术。而电磁理论,就是 18~19 世纪奠基完成的。

我们今天这篇文章的主角,就是电磁理论的重要奠基人之一,大名鼎鼎的麦克斯韦。

麦克斯韦,全名是詹姆斯 · 克拉克 · 麦克斯韦(James Clerk Maxwell),英国著名物理学家、数学家。除了奠定电磁理论、开创经典电动力学之外,他还是统计物理学的奠基人之一。

▉ 麦克斯韦的生平往事

我们首先回顾一下麦克斯韦的整个人生历程。

相比于小枣君之前给大家介绍过的其他大神,麦克斯韦的人生经历可以说是非常平淡,既没有大富大贵,也没有大起大落。

1831 年 6 月 13 日,麦克斯韦在苏格兰爱丁堡出生。他的父亲是一位辩护律师,名叫詹姆斯 · 克拉克。之所以会多出一个 “麦克斯韦”姓氏,是因为克拉克家族和麦克斯韦家族关系深厚,小麦克斯韦的曾祖母就来自麦克斯韦家族。小麦克斯韦他爹还继承了麦克斯韦家族的一些地产。

幼年时期的麦克斯韦,虽然家境殷实,但因为口音浓重等问题经常遭到同龄人的嘲笑,所以性格比较孤僻,不太喜欢讲话。他的教育,主要是由他的母亲在负责。

8 岁那年,麦克斯韦的母亲患病去世,导致他变得更加沉默寡言。

不过,幸运的是,麦克斯韦的父亲并没有放弃对他的关爱,积极鼓励和陪伴他成长。他父亲发现,儿子经常画一些几何图形,于是,亲自教导他学习数学。

当时,他父亲还聘请了一名家教对他进行指导。然而,这名家教对小麦克斯韦极为尖酸刻薄,经常责骂他迟钝、任性。于是,他父亲在 1841 年 11 月辞退了这名家教,将小麦克斯韦送到久负盛名的爱丁堡公学就读。

这一期间,小麦克斯韦住在他的姨母伊萨贝拉家中。这位姨母对小麦克斯韦进行了悉心的照顾和教育,给他的人生造成了很多正向的影响。姨母的女儿,也就是小麦克斯韦的表姐,杰迈玛,激发了小麦克斯韦在绘画方面的兴趣和热爱。据不可靠消息,杰迈玛也是小麦克斯韦的初恋对象。

15 岁的时候,麦克斯韦在爱丁堡皇家协会学报上,发表了自己的第一篇论文——《卵形线》(Oval Curves),在当地引起了不小的轰动。

1847 年,16 岁的麦克斯韦如愿进入了爱丁堡大学。此时的他,是班上年纪最小的学生,但成绩却总是名列前茅。他专攻数学物理,同时也接受了实验物理学、逻辑学等学科的严格训练。

1850 年,在征得父亲同意的情况下,他转入剑桥大学。起初,他就读于彼得学院,后来,按个人意愿,转入了三一学院。在三一学院,他获选加入了剑桥大学秘密的精英社团——剑桥使徒。

在三一学院就读时的麦克斯韦,手上拿的是自己发明的比色环。

1851 年,他开始跟随著名数学家威廉 · 霍普金斯学习数学。

1854 年,也就是 23 岁的时候,麦克斯韦以第二名的成绩从剑桥大学三一学院数学系毕业,留校任教。

1855 年,麦克斯韦读到了大神法拉第的著作《电学实验研究》,被书中各种各样的电磁感应实验所吸引,正式开始研究电磁学,从此一发不可收拾(后面会详细说)。

1856 年,麦克斯韦来到苏格兰阿伯丁的马歇尔学院,担任自然哲学教授。当时他只有 25 岁,比其他教授至少年轻 15 岁。

1858 年 6 月,麦克斯韦迎娶了马歇尔学院院长丹尼尔 · 迪尤尔的女儿——凯瑟琳 · 玛丽 · 迪尤尔(Katherine Mary Dewar)。凯瑟琳比麦克斯韦大 7 岁,个子也比麦克斯韦高,长相美丽且性格开朗。两人婚姻生活非常和谐美满、浪漫甜蜜,后来育有两个女儿。

麦克斯韦和凯瑟琳

1860 年,马歇尔学院与阿伯丁国王学院合并成为阿伯丁大学。尽管麦克斯韦已有一定的影响力,但仍未争取到新学校的自然哲学教授职位,而且申请爱丁堡大学相同职位也未成功。无奈之下,经人介绍,麦克斯韦到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。

此时的麦克斯韦,进入了自己人生阶段中最为高产的一段时期。他在电磁领域的几篇重要论文,都发表于这一时期。1861 年,麦克斯韦当选为伦敦皇家学会会员。

1865 年,麦克斯韦辞去教职,和凯瑟琳一起回到家乡格伦莱尔,开始系统地总结电磁学的研究成果。这一期间,他完成了电磁场理论的经典巨著——《电磁通论》,并于 1873 年出版。

1871 年,麦克斯韦受聘为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——卡文迪什实验室。

1874 年,卡文迪什实验室建成后,麦克斯韦担任实验室的第一任主任。

卡文迪许实验室后来举世闻名,对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响,被誉为 “诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。

卡文迪许实验室旧址,这里产生了 29 位诺贝尔奖得主。

后来的麦克斯韦,一直在倾力照顾自己生病的妻子(之前是照顾生病的父亲),心力交瘁。没过多久,自己也被查出患病。

1879 年 11 月 5 日,麦克斯韦在剑桥因胃癌逝世,享年仅 48 岁。

此时,他刚刚完成第二版《电磁通论》前九章的修订。值得一提的是,他的母亲当年也是相同年龄因为相同的癌症而去世的(也有说法是他母亲死于肺结核)。

逝世后的麦克斯韦,葬于苏格兰西南部罗门湖 (Loch Ken) 附近的一座教堂中。

麦克斯韦的墓碑

▉ 麦克斯韦的成就与贡献

好了,接下来,我们来看看麦克斯韦的人生成就。

一直以来,在学术界和历史界,麦克斯韦都被赋予了极高的地位。他的学术贡献,被认为可以与牛顿、爱因斯坦比肩。

普通人可能会质疑,麦克斯韦真的有这么牛吗?竟然可以和牛爵爷、爱神平起平坐?他不就是捣鼓了一个麦克斯韦方程组吗?值得封神吗?

Hoho,麦克斯韦之所以民间名气不够大,就是吃了麦克斯韦方程组的亏。

你看牛爵爷的三大定律,咱们中学的时候就能看懂。公式的话,说来说去,也就是围绕着 “F=ma”转,非常简单。

爱神的 “相对论”嘛,反正大家都不懂,就知道很牛逼,就够了。公式的话,E=mc2,至少看起来简单好记啊。

麦克斯韦的方程组呢,Duang,就是下面这个:

你看得懂不?记得住不?写得来不?

也许你在大学的时候,曾经看得懂,我相信现在已经忘得差不多了吧?

上面这个,还是经过天才物理学家奥利弗 · 亥维赛 “改良”的版本,原版的麦克斯韦方程组有 20 个方程式,更要命。

所以说,麦克斯韦属于那种一般人看不懂他为什么牛逼,而专业人士明明知道他牛逼,却解释不清楚他为什么牛逼的类型。

麦克斯韦的生平极少发生八卦新闻,他的名字也没有像安培、赫兹、特斯拉一样,成为物理学单位,这都影响了他在普通人眼里的知名度。

其实,概括来说,麦克斯韦的最大贡献,就是共同参与电磁理论的奠基,搞清了光、电、磁的真相,最终帮助人类驾驭了电磁波。

没有麦克斯韦,就没有电磁波的广泛应用(或者说会晚很多年),不会有手机、无线电、广播、微波炉、雷达、卫星、CT、B 超…… 人类社会,完全会是另外一番景象。历史的发展,也会是另外一种结局。

我们回顾一下电磁理论的诞生过程。

1820 年,丹麦科学家奥斯特通过偶然发现的磁针偏转现象,提出电流存在磁效应。

此后不久,毕奥和萨伐尔在大佬拉普拉斯的帮助下,提出了著名的毕奥 - 萨伐尔定律,可以算出任意电流在空间中产生磁场的大小。但是这种方法在实际使用的时候比较繁琐。

再后来,安培发现了一个更实用更简单的计算电流周围磁场的方式,这就是安培环路定理。安培还总结了一个很实用的规律,用于判断电流产生磁场的方向,这就是大家非常熟悉的安培定则(也就是右手螺旋定则)。

再再后来,大神法拉第出场,经过反复实验,提出了电磁感应定律(1831 年),引入了电场和磁场的概念(1837 年),指出电和磁周围都有场的存在,打破了牛顿力学 “超距作用”的传统观念。

迈克尔 · 法拉第(1791~1867)

然而,法拉第是一位实验物理学家,他小时候因为家庭穷困没有受过正统教育,数学能力较弱,所以无法通过数学公式对自己的理论进行证明,一直为此耿耿于怀。

法拉第的著作——《电学的实验研究》,从头到尾没有一个公式

在法拉第的默默召唤之下,上帝派来了数学兼物理双料天才——麦克斯韦,帮助法拉第了却心愿。

1855 年,麦克斯韦发表了一篇论文——《论法拉第的力线》,第一次试图将数学形式引入法拉第的力线概念,从而初步建立电与磁之间的数学关系。这篇文章引起了物理学界的重视,也得到法拉第本人的赞扬。

1862 年,麦克斯韦发表了第二篇论文——《论物理学的力线》。在这篇论文中,他首次提出了 “位移电流”和 “电磁场”等新概念,对电磁理论给出了更完整的数学表述。

1864 年,麦克斯韦发表了第三篇论文——《电磁场的动力学理论》。这篇论文中不仅给出了麦克斯韦方程,还首次提出了 “电磁波”的概念。

麦克斯韦认为,变化的电场会激发磁场,变化的磁场又激发电场。这种变化的电场磁场共同构成了电磁场,电磁场以横波的形式在空间传播,就是电磁波。

麦克斯韦推算出电磁波的传播速度,发现和光速非常接近,于是,他指出:“光与磁是同一物质的两种属性,而光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动。”

以上这些突破性进展,极大地验证了法拉第的电磁感应定律,也让法拉第可以不留遗憾地离开这个世界(1867 年)。

法拉第是幸运的,但麦克斯韦却没有那么好命。

虽然麦克斯韦通过完美的数学公式奠定了电磁理论的基础,但是,因为理论过于精深复杂,公式过于抽象,所以并未得到公众的广泛认可。

在牛顿力学仍占主导的那个时期,麦克斯韦的理论遭到主流学术界的抵制,年轻学者也很少有人愿意追随他。

据说,在麦克斯韦去世那年,当他仍然坚持不懈地宣传电磁波理论时,只有 2 个听众愿意听他上课,一个是来自美国的研究生,另一个是后来发明电子管的弗莱明。

他逝世后,主流学术界依旧没有接受他的理论。

一直到他逝世的 9 年后,1888 年,年轻的德国物理学家赫兹,通过实验首次证实了电磁波的存在,才真正验证了麦克斯韦理论的正确性。麦克斯韦的贡献和地位,得以被全世界承认。如果他泉下有知,也可以瞑目了。

海因里希 · 鲁道夫 · 赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)

在科学史上,人们普遍认为,牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,是 “第一次”大统一,而麦克斯韦把电学、磁学、光学统一起来,是 “第二次”大统一。

值得一提的是,后来爱因斯坦受麦克斯韦方程组的刺激,想要以同样的方法统一力场,将宏观和微观的两种力放在同一组式子中,实现最终的 “大一统理论”,结果没搞成。不然的话,这个世界估计又是另外一个样子了。。。

此外,麦克斯韦的《电磁学通论》,作为电磁学经典著作,也经常被拿来和牛顿的《自然哲学的数学原理》(力学)、达尔文的《物种起源》(生物学)相提并论。

所有这些,都足以证明麦克斯韦的伟大。

上面所说的贡献,还仅仅只是麦克斯韦在电磁理论方面的工作。除了电磁理论之外,麦克斯韦在光学、天文学、分子运动论和热力学等诸多领域也有非常深入的研究,对后世产生了深远影响。

例如著名的物理学四大神兽之一,麦克斯韦妖,就是麦克斯韦围绕热力学第二定律提出来的一个佯谬。

▉ 结语

回顾麦克斯韦出生和逝世年月,我们会发现两个惊人的巧合——麦克斯韦出生的那一年,法拉第发现了电磁感应;麦克斯韦去世的那一年,爱因斯坦出生。

爱因斯坦一生对麦克斯韦极为推崇,他后来取得的很多研究成果(狭义相对论等),都离不开麦克斯韦的前期贡献。也有人戏称,爱因斯坦是麦克斯韦的隔世弟子。

1931 年,在麦克斯韦诞辰一百周年的纪念会上,爱因斯坦评价麦克斯韦的建树,是 “牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。”

量子论创立者普朗克也是麦克斯韦的忠实拥趸。他是这么评价麦克斯韦的:“他的光辉名字将永远镌刻在经典物理学的门扉上,永放光芒。从出生地来说,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。”

来自 20 世纪最伟大天才们的肯定,足以说明这位 19 世纪最伟大天才的价值。不是吗?

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