代物理學論天賦水平,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越的家庭環境,他的父親是一名律師,但是卻熱愛研究科學現象和思考科學問題,這對年少的麥克斯韋產生了巨大的影響—一位科學巨匠的誕生。
麥克斯韋
麥克斯韋年少成名,從小就展現了過于常人的天賦,年僅14歲時發表了第一篇論文,關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家往往具備天才般的數學能力。這為后世公認的最美麗的方程奠定基礎。
1846年秋天,麥克斯韋進入愛丁堡大學學習物理,三年后進入劍橋大學三一學院,在劍橋的學習生涯,他打下了扎實的數學基礎,為日后的數學分析和實驗研究創造了條件。
麥克斯韋最大的科學成就就是統一了電磁場理論,在詳細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家奧斯特和法拉第,尤其是法拉第,后面筆者準備專門介紹這位頗具傳奇的物理學家。
奧斯特
奧斯特小磁針實驗
1820年,丹麥物理學家奧斯特在課堂上偶然發現通電導線對放在它下方的小磁針居然有作用力,令人驚訝的是,導線并沒有與小磁針有任何接觸。這個現象的出了電流可以產生磁場。這是人類第一次電和磁的親密接觸。奧斯特對這個現象倍感興趣,但是后來也沒有進一步的解釋。
法拉第
時間在流逝,1827年,只有小學二年級畢業的法拉第開始著手電和磁,他想到既然電流可以產生磁場,那么磁場也可以產生電流。所以,他開始了一系列的物理實驗,他將一個長形磁鐵周圍繞制螺旋導線,導線回路中就電流表及電鍵開關,起初,法拉第認為只要電鍵開關閉合,電流表就會產生電流指示,可是事與愿違,實驗現象并不是這樣;法拉第百思不得其解,實驗一做就是四年,說來也巧,有一次法拉第再次做這個實驗的時候,電鍵開關一直閉合,他將繞線磁鐵中的磁鐵抽走了,此時他發現電流表竟然有指示。因此,法拉第得出變化的磁場可以產生電流。
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巨著,他十分贊同法拉第的科學研究與實驗發現,潛心研究法拉第的的《電學的實驗研究》一書,他以法拉第的力線概念為指導,透過這些雜亂無章的實驗記錄,分析總結出其中一些統一的簡單的規律,于是,他發表了《論法拉第力線》。在這篇文章中法拉第力線得到精準的數學描述。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,麥克斯韋發表第三篇重要論文《電磁場的動力學理論》,在這篇論文中,他首次系統的成列出麥克斯韋方程組。麥克斯韋又應用于早前在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。由于這導引將電學、磁學、光學聯結成一個統一理論。這創舉現在被學術界公認為物理學史的重大里程碑。
強大的數學能力,總結出歷史上最優美的方程:麥克斯韋方程組。它具有電磁學的包羅萬象,也具有強烈的對稱性與自洽性,其數學表達式如下:
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為真空磁導率,I為電流。
麥克斯韋還經過推算證明: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生磁場,而這個磁場又會進一步產生電場…如此循環往復,電磁場就可以向遠處傳播,形成電磁波。麥克斯韋計算了電磁波的速度,發現電磁波在真空中的速度剛好等于光速,于是大膽預言:光就是一種電磁波。有了電磁波,就有了現代的無線通信。
電和磁互相感應形成電磁波
后來,赫茲通過實驗證明電磁波的存在。
牛頓說過“我之所以看的遠,是因為我站在巨人的肩膀上”。
有的人說,麥克斯韋只是總結了前人的研究成果。這種看法是極其錯誤的,麥克斯韋生在電磁學已經打好基礎的年代, 他沒有辜負時代的要求, 及時地總結了已有的成就; 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; 他深刻地洞察了以紐曼和韋伯為代表的大陸派電動力學的困難和不協調因素, 看穿那種力圖把電磁現象歸于力學體系的超距作用理論的根本弱點, 決心致力于近距作用理論。他從類比研究入手, 開始只是借用適當的數學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力性質給予機理性的說明, 乃轉而運用模型理論。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鍵概念。最后, 他終于甩掉一切機械論點, 徑直把電磁場作為客體擺在電磁理論的核心地位, 從而開創了物理學又一個新的起點。
小時候的麥克斯韋由于家境殷實,小麥克斯韋又受到父親的影響,逐漸對科學產生了濃厚的興趣,他的父親經常帶他參加愛丁堡皇家學會組織的研討會,那時候的麥克斯韋就能夠侃侃而談,表達自己對科學的思考,著實讓人羨慕。
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,執著,嚴謹和十分熱愛科學,他的每一篇論文發表,都會做大量的實驗,最終確保每一句表述正確性;這都值得我們研究科學與實際生活中學習。
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,但是他的思想和學術成就卻改變了人類,并且永遠值得我們學習。