麦克斯韦:谱写了上帝诗篇的隐士

作者:松鹰来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-06-23

在近代科学史上,有一位杰出的物理学家,他生前的荣誉远不及法拉第,直到他死后许多年,在赫兹证明了电磁波存在后,人们才意识到,并公认他是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。
  在近代科学史上,有一位杰出的物理学家,他的成就可以同牛顿、爱因斯坦相提并论,但他的名字却不大为人所熟知。

  被冷落了几乎一个世纪之后,在千禧年即将来到的1999年底,英国《物理世界》杂志评选出“有史以来10名最伟大的物理学家”,他的名字排在第三(前两名是爱因斯坦、牛顿)。在同一时间,英国广播公司(BBC)举行“一千年来10名最伟大的思想家”网上评选活动,世界各国所有人士均可参加投票,评选最后揭晓,他名列第九。

  这位伟大的物理学家、思想家留着长长的胡子,神态严肃,目光炯炯。他一生只活了48岁,却在电磁学、光学、分子物理学、天文学等许多科学领域作出了重大贡献。其中影响最深远的是:他从理论上总结了人类对电磁现象的认识,揭开了电磁之谜,天才地预见了电磁波,为后来无线电的诞生和发展开辟了道路。我们今天生活在电波世界中,电视、广播、无线电通讯、导航、遥控、遥测、雷达等现代新技术,都是通过电磁波传递信息来实现的。但在这位科学家生活的时代,人们并不知道有电磁波存在,也不相信他的预言和理论。他一生都不为人所理解:中学时代他的服装不为同伴理解;大学时代他的言语不为听者理解;到后来,他的学说也是很长时间没有知音。他生前的荣誉远不及法拉第,直到他死后许多年,在赫兹证明了电磁波存在后,人们才意识到,并公认他是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。

  这位科学巨人就是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,被誉为“电波之父”。麦克斯韦揭开电磁波奥秘的伟大发现,堪称是谱写了上帝的诗篇。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

  詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(网络图)

  1854年,23岁的麦克斯韦从剑桥大学毕业。这个时候法拉第的名著《电学实验研究》出版了。这是法拉第对自己毕生研究电磁学的成果的总结,非常宝贵。麦克斯韦拿着这部精装的巨著,爱不释手。他一下子就被书中的实验和新颖的见解吸引住了。这本书把麦克斯韦带到了一个崭新的领域,令他心驰神往。正是这位大师,经过10年探求,发现了著名的电磁感应现象,证明了不仅电可以变成磁,磁也可以变成电,从而揭示出电和磁有着不可分割的联系。

  麦克斯韦读了《电学实验研究》,对法拉第的学说深感佩服,但读完这部巨著,有一个事实引起了他的注意:在厚厚的三卷《电学实验研究》中,竟然找不到一条数学公式。这是为什么呢?

  作为一位理论物理学家,麦克斯韦很清楚,物理学是离不开数学的。牛顿的力学定律、天文上的行星三大定律,都是以公式的形式来概括的。法拉第的电磁学说却没有一条公式,这引起了他的思索。

  麦克斯韦既尊重前辈的成果,又从来不迷信任何权威,包括他所崇敬的法拉第在内。小时候,父亲曾对他说“牛顿也是可以怀疑的”,这句箴言他一直铭记不忘。麦克斯韦开始从不足的方面去分析法拉第的著作。他意识到,缺乏数学上的高度概括,也许正是这位大师的短处。

  麦克斯韦写信向威廉·汤姆逊教授请教。汤姆逊回信告诉麦克斯韦,法拉第的学说包含着人们没有发现的真理,是带有革命性的。不过,法拉第是自学而成的科学家,他有许多过人之处,唯独数学修养较差,因而他的学说还缺乏理论上的严谨,这就是为什么整个一部辉煌的《电学实验研究》中找不到一条数学公式的原因。汤姆逊还说,正是由于这个缘故,一般的理论物理学家都不承认法拉第的学说,就连英国那些第一流学者们的意见也有分歧。

法拉第

法拉第(网络图)

  汤姆逊的信,像一盏明灯,照亮了麦克斯韦的心。这位初出茅庐的青年科学家决定献出自己的数学才能,去弥补法拉第学说定性表述的弱点。他暗下决心要从理论的高度粉碎那些愚蠢的偏见。

  一年之后,24岁的麦克斯韦发表了《法拉第的力线》,这是他第一篇关于电磁学的论文。一颗新星在电磁学领域升起来了!人们惊异地注视着它的熠熠光彩。在这篇论文中,麦克斯韦通过数学方法,把法拉第关于电流周围存在磁力线这一思想,成功地概括为一个数学方程。法拉第的学说第一次有了定量的表述形式。

  麦克斯韦沿着这个方向深入研究下去。7年之后,他在英国《哲学杂志》上发表了第二篇电磁学论文《论物理的力线》。在这篇划时代的论文中,麦克斯韦根据他设计的理论模型,推导出两个非常精炼的数学公式。这是两个高度抽象的微分方程,只有几个数学符号,看去很简单,含义却非常复杂、深刻。它不仅圆满地解释了法拉第的电磁感应实验,还可以解释迄今为止人们所发现的一切有关电和磁的现象。麦克斯韦麦克斯韦进一步思考发现,这两个微分方程式,实际上揭示了电磁规律的两个方面:一是电场随时间变化将引起磁场;二是磁场随时间变化又会产生电场。二者总是密切联系,互为因果的。麦克斯韦因此在《论物理的力线》中大胆地预言:这种交变的电磁场向空间传播开去,就会形成当时人们尚不知道的电磁波。

麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组(网络图)

  1865年,麦克斯韦完成了第三篇电磁论文《电磁场动力学》。麦克斯韦从他的电磁方程组推导出了一个新的方程式。他发现这个新方程式是一个波动方程!麦克斯韦克制着内心的激动,立即根据波动方程的参数计算这个波的传播速度。计算结果使他惊喜得怔住了:它正好等于光速!

  至此,电磁波的存在是确定无疑了!而且光也是一种电磁波。

  1873年,麦克斯韦的辉煌巨著《电磁学通论》出版。它系统地总结了奥斯特、安培、法拉第等人关于电和磁的研究成果,并在此基础上对整个电磁现象作了系统、全面的总结,将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来,这就是成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组:有人称麦克斯韦方程组是物理史上最美的一组方程。整个世界有那么多复杂纷繁的电磁现象,但是没有一个能逃出这个方程组的约束。就像牛顿的三定律总括了天上地下的一切宏观运动现象一样,这个如此简短的方程组,可以用来描述一切电磁现象。而且,这个麦克斯韦方程组具有美妙的对称性。玻尔兹曼说的没错,这的确是“上帝的诗歌”。

  杨振宁也称赞说:“牛顿的运动方程式、麦克斯韦方程式、爱因斯坦的狭义与广义相对论方程,达到了科学研究的最高境界。它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构,可以说它们是造物者的诗篇。”

  备注:式中E 为电场,H为磁场;E·表示变化的电场,H·表示变化的磁场。

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