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你認為迄今為止,全世界最偉大的物理學家是誰?

如果只能選一人,那便是:

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(G.C.Maxwell)

他的偉大,從5個方面來看待。

純理論成果

麥克斯韋方程組,統一電、磁、光!

(強調一下,麥克斯韋方程組統一的不是電和磁,而是電、磁、光。光學的本質是電磁學!)

從上到下:高斯定理、磁通連續性原理、電磁感應定律、全電流定律

這是人類馴服四大基本作用的首次勝利——馴服電磁相互作用!

也是世上第一個規范場論——沒錯,在外爾奠基規范場論的數十年前,麥克斯韋已經建立了世上第一個規范場論!

有人說麥克斯韋只是總結了前人的成果,那些公式都是以別人的名字命名的。

這種說法純粹是孤陋寡聞的表現,全電流定律又被稱為麥克斯韋第一方程,電磁感應定律又被稱為麥克斯韋第二方程。

連這種說法都沒聽過的人,我只能送他們四個字:孤陋寡聞。

還有人說麥克斯韋只是加了個位移電流,貢獻并不大。

這種說法純粹是坐井觀天的表現,麥克斯韋還提出過渦旋電場、電勢表征電磁場的能量、磁矢勢表征電磁場的動量、……

麥克斯韋之前,電磁學只能處理靜態的電磁場;麥克斯韋之后,電磁學才能處理動態的電磁場。

渦旋電場和位移電流對整個電磁學的貢獻,完全可以說是化腐朽為神奇,把一盤散亂的公式變成了規范場論。

質疑麥克斯韋對電磁學的貢獻的人,我只能送他們四個字:坐井觀天。

提醒一下,麥克斯韋不只是電磁學的王者,還是統計力學的奠基人之一,憑借麥克斯韋速率分布律在統計力學中占有一席之地。

而且,麥克斯韋為了批駁熱力學第二定律引發的'熱寂論',還意識到自然界存在著與熵增相對抗的能量控制機制,但他無法清晰地說明這種機制,于是放出了“物理學四大神獸”之一的麥克斯韋妖。

麥克斯韋妖:能夠按照某種秩序和規則把作隨機熱運動的微粒分配到一定的相格里。

提醒一下,麥克斯韋妖可不是個惡作劇,它是耗散結構的一個雛形。是一種新機制,并稱之為'信息-熱機制',這意味著,能夠使用信息作為媒介來轉化能量。

(細胞就是一種耗散結構。)

除此以外,麥克斯韋還算出了土星環是固體流體和大量并非相互密集的物質構成的,而不是質量分布不規則的固體環。

理論成果的后世影響

如果理論物理中有“萬金油”的話,那一定是:

麥克斯韋方程組!

(麥克斯韋方程組出場次數這么多,“萬金油”的名號可不是浪得虛名。)

狹義相對論要叫麥克斯韋方程組一聲爸爸,說白了,狹義相對論就是幫麥克斯韋方程組對付伽利略變換用的。

規范場論也要叫麥克斯韋方程組一聲爸爸,楊-米爾斯方程就是在麥克斯韋方程組的基礎上建立的。

麥克斯韋方程組是U(1)群,楊-米爾斯方程把它推廣到了SU(2)、SU(3)、……群。

而且,麥克斯韋方程組不止是“萬金油”,還是“常青樹”。

經典物理有三大支柱:經典力學、經典電動力學、熱力學和統計力學。

經典力學被狹義相對論修正,成為了狹義相對論的近似理論;熱力學和統計力學在量子力學建立后,也成為了量子統計的近似理論。

甚至是20世紀才建立的量子力學也被改進過,和狹義相對論接軌。

(量子電動力學是改進了非相對論量子力學,而不是改進了麥克斯韋方程組。)

麥克斯韋方程組卻一直是老樣子。

上面這些只是麥克斯韋方程組的后世影響。

除此以外,麥克斯韋提出的電勢表征電磁場的能量、磁矢勢表征電磁場的動量的觀點,也在量子力學中發揮了不小的作用。(用于寫出哈密頓量)

當初亥維賽德和吉布斯用矢量分析表達麥克斯韋方程組時,把電勢和磁矢勢放到了幕后,沒有意識到它們的價值,在量子力學建立后,物理學家才再次發現了電勢和磁矢勢的意義。

(去世數十年后,麥克斯韋還在教物理學家做事。)

科技應用

這是很重要的因素,不提科技應用的話,很多物理學家都能排到麥克斯韋前面。

提及科技應用,麥克斯韋就是當之無愧的第一人。

第二次工業革命和第三次科技革命都依賴麥克斯韋方程組。

(即便是電力系統,也依賴麥克斯韋方程組,進行波過程的分析。)

wifi 、云計算、物聯網、無人機、自動駕駛、雷達、……、你現在刷頭條,都離不開電磁波和麥克斯韋方程組。

甚至可以說,現代文明建立在麥克斯韋方程組之上。

這種說法并不夸張,信息技術確實很依賴麥克斯韋方程組。

在經典力學建立之前,已經有了各種機械、建筑;在熱力學建立之前,已經有了蒸汽機。

但在麥克斯韋方程組建立之前,可是完全沒有無線電技術,連個收音機都沒有。

除此以外,麥克斯韋還是最早研究調速器的穩定性問題的物理學家。

1868年麥克斯韋發表了《論調節器》,表達了比例-積分控制器的基本思想。

首次把調速器的運動狀態用微分方程來描述,導出了調節器的微分方程,并在平衡點附近進行線性化處理,指出穩定性取決于特征方程的根是否具有負的實部。

(工科生對這些操作應該都很熟悉。)

麥克斯韋還在論文中對三階微分方程描述的具體系統以及具有五階微分方程的特殊系統進行了研究,并給出了系統的穩定性條件。

(更高階系統的穩定判據就是勞斯判據,工科生應該都懂。)

在自動控制這一塊,麥克斯韋也能占據一席之地。

實驗物理學

1871年,麥克斯韋創立卡文迪許實驗室。

在那里發現了電子、中子、原子核的結構、DNA的雙螺旋結構、……

卡文迪許實驗室對整個實驗物理學的發展有極其重要的影響,眾多著名科學家都曾在這里工作過,這里甚至被譽為'諾貝爾物理學獎獲得者的搖籃'。

卡文迪許實驗室

作為該實驗室的第一任主任,麥克斯韋在1871年的就職演說中對實驗室未來的教學方針和研究精神作了精彩的論述,是科學史上一個具有重要意義的演說。

他說:'這些實驗的教育價值,往往與儀器的復雜性成反比,學生用自制儀器,雖然經常出毛病,但他卻會比用仔細調整好的儀器,學到更多的東西。仔細調整好的儀器學生易于依賴,而不敢拆成零件。'從那個時候起,使用自制儀器就形成了卡文迪許實驗室的傳統。

麥克斯韋的本行是理論物理學,但他卻清楚地知道實驗稱雄的時代還沒有過去。

他還批評當時英國傳統的'粉筆'物理學,呼吁加強實驗物理學的研究及其在大學教育中的作用,為后世確立了實驗科學精神。

除此以外,還有個麥克斯韋滾擺,用于演示機械能守恒。

慧眼識珠

麥克斯韋曾把傅里葉的《熱的解析理論》稱為“一首偉大的數學史詩”。

事實也確實如此,傅里葉把物理問題表述為線性偏微分方程的邊值問題來處理,使分析力學超出了牛頓在《自然哲學的數學原理》中所規定的范疇。

亨利·卡文迪許(不只測出了引力常量,還被稱為“化學中的牛頓”)逝世后,他的手稿在書櫥里一放竟是70年。

麥克斯韋發現并整理了他的實驗論文,并于1879年出版了名為《卡文迪許的電學研究》一書,此后人們才知道卡文迪許做了許多電學實驗。

麥克斯韋說:'這些論文證明卡文迪許幾乎預料到電學上所有的偉大事實,這些偉大的事實后來通過庫侖和法國哲學家們的著作而聞名于科學界。'

約西亞·威拉德·吉布斯,不擅交際又愛深思的個性,使他在現實的社會里,幾乎是不存在的邊緣人。

他曾在九年間發表了三篇熱力學的經典之作,把這三篇寄給世界各地147個物理、數學的科學家,請他們提供意見。

幾乎所有人都讀不懂他的理論,也不知道吉布斯是何許人。

但是,麥克斯韋不僅讀了,而且深深地贊賞吉布斯的文章,于是登高一呼:

這個人對于“熱”的解釋,已經超過所有德國科學家的研究了。

這時大家才恍然大悟,回頭從紙屑堆中找出這三篇文章,好好地研讀。

麥克斯韋還對吉布斯三維圖的思想贊賞不已,親手做了一個石膏模型寄給吉布斯。

什么叫慧眼識珠?這就叫慧眼識珠。

巨星隕落

麥克斯韋生前沒有享受到他應得的榮譽,因為他的科學思想和科學方法的重要意義直到20世紀科學革命來臨時才充分體現出來,然而他沒能看到科學革命的發生。

1879年11月5日,麥克斯韋因病在劍橋逝世,年僅48歲。

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