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通知：本篇长达3600字，请谨慎阅读。 科普君认为，如果将史上的那些物理学家们做一个排位的话，那么麦克斯韦绝对能进前五，甚至可以进入前三，排在牛顿和爱因斯坦之后。在科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大统一；麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大统一，因此应与牛顿齐名。能够看懂麦克斯韦方程组的人，一定会有种头皮发炸的感觉，如果不是上帝，又怎么能解释如此完美的方程。一种非常谦虚的评价是：'一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释'。而正是这样的一个包含宇宙电磁现象的方程组，居然是由麦克斯韦一个人仅靠纸笔演算，就得出了电磁波的存在的预言。也正是这个方程组，让爱因斯坦终生都想以同样的方式统一引力场，但是他到死都没有走出这个隧道。也许，一旦走出隧道，我们看到的可能就是上帝本人了。今天，就让科普君怀着一颗诚惶诚恐的心来介绍一下这位物理学上的大神--英国物理学家--麦克斯韦。PS：科普君在文中所说的上帝，并不是宗教意义上的上帝，而是科学。 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1831年出生在苏格兰的爱丁堡。也正是在那年，另一位神人法拉第法爷发现了电磁感应现象，也许这就是冥冥之中注定麦克斯韦跟电磁学脱不开干系了。麦克斯韦的父母都是知识分子，童年的麦克斯韦在父母的教育下，对自然科学产生了浓厚的兴趣。13岁的时候他就获得了爱丁堡一年一度的数学奖。15岁的时候，麦克斯韦写了一篇论文描述画各种卵形线的方法（描述卵形线的方程一直是数学上的难点），这篇论文得到了爱丁堡大学一些数学教授的重视。1847年，麦克斯韦进入爱丁堡大学攻读数学物理。他师从凯兰、福布斯和哈密尔顿，同时他又阅读了大量的书籍。现在能查询到的麦克斯韦当年的借书单目录就包括傅里叶的《热的理论》、蒙日的《画法几何》、牛顿的《光学》、威利斯的《机械论原理》、柯西的《微分学》等等，麦克斯韦非常崇拜傅里叶，他称傅里叶的数学理论为'伟大的数学诗篇'。3年后，爱丁堡大学这个池塘已经留不住麦克斯韦这条大鱼了，他转学到了剑桥大学。 剑桥大学 1850年，麦克斯韦进入剑桥大学，师从著名的数学家霍普金斯。霍普金斯曾经说过：麦克斯韦是他教授过的最出色的学生之一。当时的剑桥大学流行一种数学的荣誉考试：Tripos.它的内容非常广泛，包括力学、流体动力学、天文学、引力学以及几何光学和物理光学。这是一门混合类的数学，1854年，麦克斯韦以第二名的成绩通过了数学荣誉学位考试，另外提一下，热力学第二定律的提出者开尔文勋爵和后来电子的发现者汤姆逊也都在数学荣誉考试中获得了第二名。麦克斯韦当时经常听斯托克斯的流体静力学、气体力学和光学的课程，他已经熟悉了光的波动论和热、电、磁理论。但是他的兴趣很明显不完全在于课堂上讲的课程，他对电的理论、分析图解法和颜色的混合理论做了大量的实验和验证，并熟悉汤姆逊对法拉第电磁场概念的发展。当时，电磁学在实验研究方面的四大定律（库仑定律、高斯定律、安培定律和法拉第电磁感应定律）都已经建立，这为后来麦克斯韦的创造性的研究提供了先决条件。 汤姆逊 1854年，麦克斯韦毕业后留校任教，在他的老师建议下，他又成了阿伯丁马里斯舍尔学院的自然哲学教授。1856年，麦克斯韦完成了在电磁学领域的第一篇论文--《论法拉第的力线》。文中他利用当时最先进的数学工具对电磁场中的力线作了几何学解释，并把法拉第的力线考虑成不可压缩的流体运动的流线。他把力线和不可压缩流体的流动作为类比，把电磁现象中的电位移矢量、电场强度矢量与磁感应强度矢量、磁场强度矢量区分开来，使得电磁现象的描述中令人困惑的两类矢量各居其位，并推动了电磁场理论的研究工作沿着正确的道路前进。1860年，麦克斯韦应邀到伦敦皇家学院任教，他特意拜访了已是伦敦皇家学院院长的法拉第。这位实验大师已年近七旬，而麦克斯韦还未到而立之年。虽然两人年岁相差甚远，而且他们的研究方法截然不同：一个专注于实验，而另一个擅长理论。但两位科学巨匠对物质世界的看法却产生了共鸣，这使他们相见恨晚。在对电磁理论本质规律的探索中，两人在许多方面是互补的。 法拉第 经过两年的苦心研究，麦克斯韦于1862年发表了他的第二篇电学研究论文--《论物理力线》。在这篇论文中，麦克斯韦将第一篇论文所作的类比研究进一步推进到建立电磁作用的力学模型。他吸取了前人的思想，把传递磁相互作用的磁以太想象为一些分子涡旋，把传递电相互作用的电以太想象为分子涡旋之间与之啮合的可动的细微粒子。靠着它们的啮合运动说明电流产生磁场、电磁感应以及静电相互作用。在这个模型的基础之上，麦克斯韦对变化的磁场能产生感应电动势的现象进行了深入的分析，认为即使不存在导体回路，变化的磁场通过媒介也会激发一种场，他称这种场为感应电场或涡旋电场。同时麦克斯韦还发现：在连接交变电源的电容器中，电介质内并不存在自由电荷，也就是没有传导电流，但磁场却同样存在。经过反复思考和分析，麦克斯韦指出：这里的磁场是由另一种类型的电流形成的。这种电流存在于任何电场变化的电介质中，麦克斯韦把这种电流称为'位移电流'。这是一篇划时代的论文，'涡旋电场'和'位移电流'的概念是这篇文章的杰出之处。 麦克斯韦手稿 1864年，麦克斯韦向皇家学会提交了他的第三篇电学论文--《电磁场的动力学理论》，这是一篇关于电磁场理论最重要的总结性论文。他在这篇论文中系统地总结了从库仑、安培到法拉第以及他自己的研究成果，提出了一共包含20个变量的20个方程式，即著名的麦克斯韦方程组。在文中，麦克斯韦写道:'我提出的这个学说可以称为电磁场理论，因为它关系到带电体或磁体周围的空间。它可以称为动力学理论，因为它假定在那个空间存在着运动的物质，在这些物质中理应产生可观测到的电磁现象。'麦克斯韦就这样直接地预言了电磁波的存在。接着，麦克斯韦从基本方程组导出波动方程，证明了电磁波是一种横波，并求得电磁波的传播速度在空气中等于电量的电磁单位与静电单位之比，即等于空气或真空中的光速。1873年，麦克斯韦的巨著《电磁学通论》出版了。该书系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。在该书中，麦克斯韦阐明了电磁理论，指出在计算决定电磁现象的真正电流的运动时，必须把电的位移考虑进去。他推断光是一种电磁现象，预测了光辐射压力的大小，并指出光辐射压的数值要比自牛顿时代以来所探求的值小得多。 麦克斯韦方程组（不过这不是麦克斯韦自己提出的方程组，是后来改进了的） 麦克斯韦在热力学与统计物理学方面也作出了重要贡献，他是气体动理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律，从而找到了由微观量求统计平均值的更确切的途径。1866年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法，这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的。他引入了驰豫时间的概念，发展了一般形式的输运理论，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年引入了'统计力学'这个术语。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师，他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪什实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻名的学术中心之一。 1865年后，他辞职退隐庄园养病。此后他把主要精力放在整理、总结电磁场理论上。1879年，他在长期患病后与世长辞, 终年48岁（天妒英才）。如果他能多活9年，就能亲眼看到自己的理论被赫兹的电磁波实验证实了。麦克斯韦生前没有享受到他应得的荣誉，因为他的科学思想和科学方法的重要意义直到20世纪科学革命来临时才充分体现出来，然而他自己并没有没能看到科学革命的发生。爱因斯坦在自传中说：'在我求学的时代，最吸引人的题目就是麦克斯韦的理论'，'特殊的相对论起源于麦克斯韦的电磁场方程'。他还把麦克斯韦的电磁场贡献评价为'自牛顿时代以来物理学所经历的最深刻最有成效的变化'。麦克斯韦去世那年，另一个物理学巨人刚刚诞生，那就是爱因斯坦。就像200多年前的1642年一样，那年，伽利略在完成他一生的勋业之后离开了人世，而另一位物理学巨星牛顿则来到了人间。冥冥中自有天意。 爱因斯坦 小知识：物理学四大神兽之一的麦克斯韦妖。麦克斯韦妖是由麦克斯韦于1871年为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的，它能探测并控制单个分子的运动。麦克斯韦妖可以这样描述，将一个绝热容器分成相等的两格，中间是由'妖'控制的一扇小'门'，容器中的空气分子作无规则热运动时会向门上撞击，'门'可以选择性的将速度较快的分子放入一格，而较慢的分子放入另一格，这样，其中的一格就会比另外一格温度高，可以利用此温差，驱动热机做功。这是第二类永动机的一个范例。实际上妖在控制门的开关时也是需要消耗能量的，所以第二类永动机也是不可能实现的。到这里，我们已经介绍完了四大神兽中的三个：芝诺的乌龟，拉普拉斯妖，麦克斯韦妖，还有最后一个，也是最可怜的不生不死、亦生亦死的薛定谔的猫。我们会在以后讲到。 麦克斯韦妖 预告一下，下期人物：范德华 |
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