麥克斯韋的遺產(chǎn)

結(jié)夏

人們熟知牛頓、愛因斯坦，有些時(shí)候甚至就像是他們的朋友，能夠輕松講述他們兒時(shí)的故事、曾經(jīng)說過的至理名言?？捎羞@樣一個(gè)人，他與牛頓、愛因斯坦齊名，但他的故事卻鮮有人知。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，英國著名的物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，他的一生與電磁密不可分。1931年，愛因斯坦在麥克斯韋生辰百年紀(jì)念會(huì)上曾指出，他的工作是繼牛頓以來，物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作。

麥克斯韋在物理學(xué)界創(chuàng)造出了天翻地覆的理論，這些理論標(biāo)志著一個(gè)科學(xué)時(shí)代的終結(jié)和另一個(gè)科學(xué)時(shí)代的開始。

電與磁的淵源

我國早在公元前16世紀(jì)到公元前15世紀(jì)，殷商時(shí)代的甲骨文字中就有“雷”字。西周時(shí)代的青銅器上發(fā)現(xiàn)刻有“電”字。西漢末年，《年紀(jì)緯·考異郵》中有“玳瑁吸”的記載，它告訴人們經(jīng)過摩擦的玳瑁，能夠吸引微小的物體。東漢王充把頓牟（琥珀）摩擦后可以吸引微小物體與磁石吸引針的現(xiàn)象同時(shí)提出……

在歐洲，公元前600 年左右，古希臘七賢之一的泰勒斯做了一系列關(guān)于靜電的觀察。從這些觀察中，他認(rèn)為摩擦使琥珀變得磁性化，這與磁鐵礦的性質(zhì)迥然不同……

為什么會(huì)產(chǎn)生這些吸引現(xiàn)象，從古至今，從國外到國內(nèi)，人們一直被電與磁困擾，并且一直試圖為二者關(guān)系提供最正確的解釋。

麥克斯韋與他的電磁學(xué)

回顧電磁學(xué)的歷史，在1820年以前都是以牛頓的物理學(xué)思想為基礎(chǔ)的。自然界的“力”——熱、電、光、磁以及化學(xué)作用正在被逐漸歸結(jié)為一系列流體的粒子間的瞬時(shí)吸引或排斥。人們已經(jīng)知道磁和靜電遵守類似引力定律的平方反比定律。到了1820年7月，丹麥物理學(xué)家漢斯·奧斯特公布的他所發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象卻與前人有所不同。奧斯特所觀察到的電流與磁體間的作用有兩個(gè)基本點(diǎn)不同于已知的現(xiàn)象：它是由運(yùn)動(dòng)的電顯示出來的，而且磁體既不被引向帶電流的金屬線，也不被它推開，而是對于它橫向定位。同一年，法國科學(xué)家安德烈·瑪麗·安培用數(shù)學(xué)方法總結(jié)了奧斯特的發(fā)現(xiàn)，并創(chuàng)立了電動(dòng)力學(xué)，此后，安培和他的追隨者們便力圖使電磁的作用與有關(guān)瞬時(shí)的超距作用的現(xiàn)存見解調(diào)和起來。

麥克斯韋的電學(xué)研究始于1854年，他被法拉第的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》一書中新穎的實(shí)驗(yàn)和見解吸引住了。麥克斯韋在劍橋?qū)W者約瑟夫·約翰·湯姆遜的指導(dǎo)下得到了啟示。他在認(rèn)真地研究了法拉第的著作后，感受到力線思想的寶貴價(jià)值，也看到法拉第在定性表述上的弱點(diǎn)。于是這個(gè)剛剛畢業(yè)的青年科學(xué)家決定用數(shù)學(xué)思想來彌補(bǔ)這一點(diǎn)。1855年麥克斯韋發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁學(xué)的論文《論法拉第的力線》。麥克斯韋在論文的開頭評論了當(dāng)時(shí)電磁學(xué)的研究狀況，認(rèn)為必須把已有的研究成果“簡化概括成一種思維易于領(lǐng)會(huì)的形式”。許多歷史學(xué)家認(rèn)為這是麥克斯韋第一篇“偉大的”論文，也是他論述電和磁論文中的首篇。

隨后的9年中，麥克斯韋以前人的理論為基礎(chǔ)，采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式不斷完善他的電磁理論。1862年，他在英國《哲學(xué)雜志》上發(fā)表了第二篇論文《論物理的力線》。1865年，麥克斯韋在《倫敦皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了第三篇論文《電磁場的動(dòng)力學(xué)》。

麥克斯韋是繼法拉第之后，又一位集電磁學(xué)大成于一身的偉大科學(xué)家。他全面地總結(jié)了電磁學(xué)研究的全部成果，并在此基礎(chǔ)上提出了“感生電場”和“位移電流”的假說，建立了完整的電磁場理論體系，不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系及統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合。

麥克斯韋的電磁理論是建立在可靠的實(shí)驗(yàn)定律基礎(chǔ)上的，盡管他的理論是完善的，但在當(dāng)時(shí)并未得到承認(rèn)。德國物理學(xué)家勞厄在《物理學(xué)史》中評論道：“盡管麥克斯韋理論具有內(nèi)在的完美性并和一切經(jīng)驗(yàn)相符合，但它只能逐漸地被物理學(xué)家們接受。它的思想太不平常了，甚至像亥姆霍茲和玻耳茲曼這樣著名的、有異常才能的物理學(xué)家為了理解它也花費(fèi)了幾年的力氣。”

麥克斯韋的遺產(chǎn)

麥克斯韋生前沒有享受到他應(yīng)得的榮譽(yù)，因?yàn)樗目茖W(xué)思想和科學(xué)方法的重要意義直到20世紀(jì)科學(xué)革命來臨時(shí)才充分體現(xiàn)出來。所以人們常說麥克斯韋是活躍在19世紀(jì)而對20世紀(jì)有著深遠(yuǎn)影響的科學(xué)家。

麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的電磁波，使得電視、無線電、雷達(dá)和移動(dòng)電話的出現(xiàn)成為可能。他用紅黃藍(lán)三種顏色、以不同比例混合的加色原理制作出第一張彩色照片，使人們看到的美好事物，被完美地保存下來。他是應(yīng)用場方程表示物理過程的第一人，他的電磁場方程是啟發(fā)愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論的主要源泉，同時(shí)電磁場方程也在普朗克的能量量子發(fā)現(xiàn)中起了作用。

他的思想實(shí)驗(yàn)——麥克斯韋妖，被創(chuàng)造性地應(yīng)用到信息理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)中。

他設(shè)計(jì)并創(chuàng)建的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的搖籃，電子和DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)就在其中……

當(dāng)他正處于創(chuàng)造發(fā)明的頂峰時(shí)期，他的事業(yè)因他的早逝而中斷。麥克斯韋一生為我們留下了眾多的遺產(chǎn)，不應(yīng)該被遺忘。endprint