电磁学的腾飞,缘于一次历史性的会面!

——“电磁学大咖”系列之十
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-02-26

年迈的电磁实验大师与电磁理论青年才俊会面后,电磁学终于发生了质的飞跃。

话说一代物理学大师法拉第虽然把电磁场、磁力线和电力线等重要概念引入物理学,也被公推为英国皇家学会会长,但他一直有个遗憾,就是只能把电磁学研究停留在力线的描述上,无法上升到定量的理论高度。没有理论支撑,电磁学就不可能在人类的生产、生活中大量应用。

这种遗憾,在读到一篇论文后,终于消失了。论文叫《论法拉第的力线》,作者是一个声名鹊起的年轻人。

“作者很可能延续我的梦想,为电磁学插上腾飞的翅膀。”法拉第甚至乐观地认为。随即,他给年轻人写了一封信,对他表示祝贺和感谢。

从此,年迈的法拉第静静等待年轻人的来访。

谁知这一等就是四年!

那个让法拉第如此期待的年轻人是谁呢?

敢于挑战的物理迷

年轻人叫詹姆斯▪麦克思韦。

麦克思韦生于苏格兰的古都爱丁堡。他幼年时随父亲居住乡间,开始接触科学。8岁那年,他与父亲到爱丁堡皇家科学院听科学演讲,并对物理产生兴趣。次年,麦克思韦的母亲不幸病逝,从此他与父亲相依为命,渡过了艰难的少年时代。

麦克思韦15岁时,一篇论文发表在《爱丁堡皇家学会会报》上。这篇运用数学理论来解决物理问题的论文获得了行家的好评。他16岁考入爱丁堡大学学习物理,19岁转入剑桥大学,投师霍普金斯教授门下研习数学。霍普金斯学识渊博,培养过不少科学家,比如科学多面手威廉▪汤姆逊、数学家斯托克等。

学生时代的麦克斯韦。(来源于博客)

学生时代的麦克斯韦。(来源于博客)

名师出高徒。在霍普金斯的教导下,麦克思韦进步很快,短短两三年就掌握了欧洲所有先进的数学物理方法。他因设计著名的色陀螺而轰动法国科学界,获得皇家学家奖章,并被聘为大学教授。

早在剑桥大学大学求学时,麦克思韦就被法拉第的崭新观念所吸引。某天,他无意间看到法接第的《电学的实际研究》一书,越看越入迷。由此,他对电磁学产生浓厚的兴趣,并立志把电磁场进行量化。

用数学公式表达看不见摸不着的电磁场,这可是不小的难题。富于挑战精神的麦克思韦经过仔细思考,决定分两步走:一是把法拉第提出的电磁场比做流体场,并由此建立一个关于电磁力的物理模型;二是运用数学公式精确描述电磁之间的关系。

剑桥大学校园一角。(来源于网络)

剑桥大学校园一角。(来源于网络)

正当麦克思韦深入研究电磁力线时,父亲病重的消息不期而至。为了照顾父亲,麦克斯韦只得中断科学研究,离开剑桥大学,回到家里,日夜守护在病床边。

这时,苏格兰北部阿伯丁港马锐斯凯尔学院发来邀请函,说本校自然哲学讲席空缺,请麦克斯韦担任自然哲学教授。父亲与世长辞后,他轻装前往马锐斯凯尔学院上任。

麦克思韦在那里任教三年,期间与院长的女儿结婚。后来,马锐斯凯尔学院和另一家学院合并,麦克斯韦不得已离开了阿伯丁。

在马锐斯凯尔学院任教期间,麦克思韦解开了土星光环之谜(他证实土星外围的环是由一块块不相粘附的物质组成,100多年后“航行者”太空推测器到达土星周围后证实了此理论),并运用统计方法得到了气体分子运动速度的分布规律,这便是著名的“麦克斯韦速度分布律”。仅仅这两项成就,就足以让他成为欧洲第一流的科学家。

在处理家事及教学自然哲学的过程中,麦克思韦对电磁场的研究时断时续。联想到法拉第给自己写的信,以及自己在日常研究中的困惑,他决定抽时间拜访这位前辈。

电磁学史上的著名会面

1860年秋天,受伦敦皇家学院邀请,麦克思韦担任英国一所大学的数学教授。一个晴朗的秋日,麦克斯韦前往市区拜访法拉第。

法拉第的府第前,麦克思韦把他四年前发表的学术论文及一张名片恭敬地递给老仆人。过了一会儿,满脸笑容的法拉第迎了出来。

这位电磁学实验大师已经70多岁,两鬓斑白,智慧的眼睛里闪着和善的目光。

尽管二人年龄相差40多岁,在所受教育、个人性情、爱好、志趣等方面迥然各异,但他们一见如故,很快就亲切地交谈起来。或许这就是中国人所说的“忘年交”吧。一老一少,老的连小学也没毕业,少的却是名牌大学的高材生;老的满脸慈祥,说话快似倒豆,少的一脸严肃,虽不善辞令,但出语便一针见血;老的善于做实验,喜欢用直觉描述现象的本质,少的精通数学,喜欢用数学来描述物理现象……

当麦克斯韦遇上法拉第。(来源于PPT)

当麦克斯韦遇上法拉第。(来源于PPT)

交谈中,他们达成共识,就是坚信电磁场的物质性,反对牛顿的超距作用,而他们的共同目标是建立可用数学公式来描述的,不属于牛顿哲学体系的电磁学理论!

“请老师指出我论文中的不足。”麦克思韦诚挚地说。

“论文很不错,出乎我的意料,”法拉第兴奋地说,“不过,你不能只用科学来支持我的观点,而应该用数学公式来表达它。”

“非常感谢,我一直在努力!”麦克思韦站起来敬礼。

“年轻人,加油。希望你能让我在死前看到如何用数学来描述电磁场!”法拉第临别时说道。

法拉第的鼓励,让麦克思韦深受鼓舞。四年多时断时续的研究后,麦克斯韦终于静下心来,全力钻研电磁学。1861、1862这两年,他先后发表了四篇以“论物理的力线”为主题的论文。他在第二篇中引入“位移电流”的概念,取得了关键性的突破。这种突破,透出电气时代的一丝曙光。

电气时代早期的电话局工作场景。(来源于网络)

电气时代早期的电话局工作场景。(来源于网络)

后记

通过见面交流,麦克思韦更加理解法拉第对电磁学的贡献,并为其谦虚谨慎的精神而佩服不已。1867 年法拉第去世后,他在悼词中写道:“法拉第通过他的力线概念来统一地理解各种电磁感应现象,他运用这种想法的方式显示出他是一位高超的数学家——未来的数学家将能从他那里获得丰富而有价值的方法……也许下一个像法拉第一样的哲人能够发展出全新的科学,而我们今天很可能连它的名称都还不知道。”

麦克斯韦与法拉第的这次会面,成为科学史尤其是物理学史上的美谈。它象征着电磁学实验和理论的有机结合,寓示着电磁学即将腾飞。会面之后,麦克斯韦通过一个数学方程组来成功描述电磁现象。这个被誉为“神仙写出来”的方程组,为无线电的发展及即将到来的电气时代奠定了理论基础,并最终导致电灯、电话等电器走进千家万户。由此,麦克斯韦成为世界物理史上绕不开的一代大咖。欲知后事,请看下集《无线电发展的基础,原来是这位“神仙”写出的!》。

麦克斯韦像(来源于视觉中国网)

麦克斯韦像。(来源于视觉中国网)

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