麦克斯韦的故事

作者:未知 来源:转载 发布时间:2007-10-25 点击数:

麦克斯韦的故事

一、生平简介

  麦克斯韦(James Clerk Maxwel 18311879)英国物理学家,1831613日生于英国爱丁堡的一个地主家庭,8岁时,母亲去世,在父亲的诱导下学习科学,16岁时进入爱丁堡大学,1850年转入剑桥大学研习数学,1854年以优异成绩毕业于该校三一学院数学系,并留校任职。1856年到阿伯丁的马里沙耳学院任自然哲学教授。1860年到伦敦任皇家学院自然哲学及天文学教授。1865年辞去教职还乡,专心治学和著述。1871年受聘为剑桥大学的实验物理学教授,负责筹建该校的第一所物理学实验室——卡文迪许实验室1874年建成后担任主任。1879年第115日在剑桥逝世,终年只有49岁。 


二、科学成就

  麦克斯韦自幼聪颖,15岁就发表过数学论文,一生从事过许多方面的物理学研究工作:

  1.麦克斯韦在物理学中的最大贡献是建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论,预言了电磁波的存在。而这种理论预见后来得到了充分的实验证实。

  1873年,麦克斯韦完成巨著《电磁学通论》,这是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书,具有划时代的意义。

  2.麦克斯韦在电磁学实验方面也有重要贡献。他建立了实验验证的严格理论,并重复卡文迪许的实验,将实验精度提高了3个数量级。他的验证理论成为后世精确验证静电力平方反比定律的依据。此外他还发明了麦克斯韦电桥。

  3.麦克斯韦在分子动理论方面的功绩也是不可磨灭的。他运用数学统计的方法导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律。还研究过土星的光环和视觉理论,创立了定量色度学。。他负责建立起来的卡文迪许实验室,在他和以后几位主任的领导下,发展成为名闻世界的学术中心之一。

  在其短暂的生涯中,麦克斯韦迈出了物理学中从未有人走过的最重要的几步,他的成就无论在深度和广度上都可以和爱因斯坦相比拟,甚至难以想象,如果不是受到麦克斯韦工作的启发,爱因斯坦会取得那么巨大的成功。

  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”,“特殊的相对论起原于麦克斯韦的电磁场方程”。1931年,在纪念麦克斯韦诞生100周年时,爱因斯坦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。”  


三、趣闻轶事

  1.从“乡巴佬”到“神童”

  麦克斯韦8岁那年,母亲去世,但在父亲深情的关照和详尽的指导下,加上自己的勇气和求知欲,麦克斯韦的童年仍然充满着美好。当他10岁进入爱丁堡中学读书时,衣着土里土气,带着浓重的乡下口音,在班里受到出身名门的富家子弟的嘲笑、欺侮,叫他“乡巴佬”,但他十分顽强,勤奋学习,不受干扰,很快就显示出自己的才华,扭转了别人的看法。他在全校的数学竞赛和诗歌比赛中都取得了第一名,成了有名的“神童”。“神童”不是天生的,是他强烈的求知欲望和刻苦钻研的结果。

  麦克斯韦从小就有很强的求知欲和想象力,爱思考,好提问。据说还在他两岁多的时候,有一次爸爸领他上街,看见一辆马车停在路旁,他就问:“爸爸,那马车为什么不走呢?”父亲说:“它在休息。”麦克斯韦又问:“它为什么要休息呢?”父亲随口说了一句:“大概是累了吧?”“不,”麦克斯韦认真地说,“它是肚子疼!”还有一次,姨妈给麦克斯韦带来一篮苹果,他一个劲地问:“这苹果为什么是红的?”姨不知道怎么回答,就叫他去玩吹肥皂泡。谁知他吹肥皂泡的时候,看到肥皂泡上五彩缤纷的颜色,提的问题反而更多了。上中学的时候,他还提过象“死甲虫为什么不导电”,“活猫和活狗摩擦会生电吗”等问题。父亲很早就教麦克斯韦学几何和代数。上中学以后,课本上的数学知识麦克斯韦差不多都会了,因此父亲经常给他开“小灶”,让他带一些难题到学校里去做。每当同学们欢蹦乱跳地玩的时候,麦克斯韦却进入了数学的乐园,他常常一个人躲在教室的角落里,或者独自坐在树荫下,入迷地思考和演算着数学难题。

  麦克斯韦在上课的时候,总是认真听讲,积极思考。他不但爱提一些别出心裁的问题,而且还能纠正老师讲课中出现的错误。据说有一次,他发现一位讲师写的公式有错误,立即站起来作了报告。老师很自信,挖苦地说:“如果是你对了,我就把它叫做麦氏公式!”后来老师回家一验算,果然是麦克斯韦对了。

  2.巧遇名师

  19岁的麦克斯韦初到剑桥,一切都觉得新鲜。这一时间,麦克斯韦专攻数学,读了大量的专门著作。不过,他读书不大讲系统性。有时候,为了钻研一个问题,他可以接连几个星期什么事都不干;有时候,他又可能见到什么读什么,漫无边际。

  这个善于学习和思考的年轻人,需要名师点拨,才能放出异彩。幸运的是,一次偶然的机会,麦克斯韦果然遇到了一位好老师,这就是霍普金斯。霍普金斯是剑桥大学数学教授,一天,他到图书馆借书,他要的一本数学专著不巧被一位学生先借走了。那书是一般学生不可能读懂的,教授有些奇怪。他询问借书人名字,管理员答道“麦克斯韦”。教授找到麦克斯韦,看见年轻人正埋头摘抄,笔记本上涂得五花八门,毫无头绪,房间里也是乱糟糟的。霍普金斯不禁对青年发生了兴趣,诙谐地说:“小伙子,如果没有秩序,你永远成不了优秀的数学物理家。”从这一天开始,霍普金斯成了麦克斯韦的指导教授。

  霍普金斯很有学问,培养过不少人才。麦克斯韦在他的指教下,首先克服了杂乱无章的学习方法。霍普金斯对他的每一个选题,每一步运算都要求很严。这位导师还把麦克斯韦推荐到剑桥大学的尖子班学习,这个班由有多方面成就的威廉·汤姆生(开尔文)和数学家斯托克主持,他俩也曾是霍普金斯的学生,数学造诣很高。经这两位优秀数学家的指点,麦克斯韦进步很快,不到三年,就掌握了当时所有先进的数学方法,成为有为的青年数学家。霍普金斯曾对人称赞他说:“在我教过的所有学生中,毫无疑问,这是我所遇到的最杰出的一个。”

  3.接过大师的火炬

  1854年,麦克斯韦毕业后不久,就读到了法拉第的名著《电学实验研究》。法拉第在这书中,把他数十年研究电磁现象的心得归结为“力线”的概念。法拉第做了一个构思精细、设计巧妙的实验:把铁粉撒在磁铁周围,铁粉就呈现出有规则的曲线,从一磁极到另一磁极,连续不断。法拉第把这种曲线称为力线,他还进一步用实验证明,这种力线具有物理性质。他把布满磁力线的空间称为磁场,而磁力就是通过连续磁场传递的。麦克斯韦完全被书中的实验和新颖的见解吸引住了。法拉第的著作,把他带到一个崭新的知识领域,使他无比神往。

  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。在论文中,麦克斯韦通过数学方法,把电流周围存在磁力线这一特征,概括为一个数学方程。这一年,恰好法拉第结束了长达30多年的电学研究,在科学笔记上写下了最后的一页。麦克斯韦接过了这位伟大先驱手中的火炬,开始向电磁领域的纵深挺进。

  四年后,在一个晴朗的春天,麦克斯韦特意去拜访法拉第。他们虽然通信几年了,还没有见过面。这是一次难忘的会晤。两人一见如故,亲切交谈起来。

  阳光照耀着这两位伟人。他们不仅在年龄上相隔四十年,在性情、爱好、特长等方面也颇不相同,可是他们对物质世界的看法却产生了共鸣。这真是奇妙的结合:法拉第快活、和蔼,麦克斯韦严肃、机智。老师是一团温暖的火,学生是一把锋利的剑。麦克斯韦不善于说话,法拉第演讲起来娓娓动听。

  两人的科学方法也恰好相反:法拉第专于实验探索,麦克斯韦擅长理论概括。

  在谈话中,法拉第提到了麦克斯韦四年前的论文《法拉第的力线》。当麦克斯韦征求他的看法时,法拉第说:“我不认为自己的学说一定是真理,但你是真正理解它的人。”

  “先生能给我指出论文的缺点吗?”麦克斯韦谦虚地说。

  “这是一篇出色的文章”,法拉第想了想说,“可是你不应停留于用数学来解释我的观点,而应该突破它。”

  “突破它!”法拉第的话大大地鼓舞了麦克斯韦,他立即以更大的热忱投入了新的战斗,要把法拉第的研究向前推进一步。

  麦克斯韦在紧张的研究中,两年的时光过去了。这是努力探求的两年,也是丰收的两年。

  1862年,麦克斯韦在英国《哲学杂志》上,发表了第二篇电磁论文《论物理的力线》。文章一登出来,立即引起了强烈的反响。这是一篇划时代的论文,它与七年前麦克斯韦的第一篇电磁论文相比,有了质的飞跃。因为《论物理的力线》,不再是法拉第观点单纯的数学解释,而是有了创造性的引伸和发展。

  麦克斯韦从理论上引出了位移电流的概念,这是电磁学上继法拉第电磁感应提出后的一项重大突破。

  麦克斯韦并未到此为止。他再一次发挥自己的数学才能,由这一科学假设出发,推导出两个高度抽象的微分方程式,这就是著名的麦克斯韦方程式。这组方程不仅圆满地解释了法拉第电磁感应现象,还作了推广:凡是有磁场变化的地方,周围不管是导体或者介质,都有感应电场存在。方程还证明了,不仅变化的磁场产生电场,而且变化的电场也产生磁场。经过麦克斯韦创造性的总结,电磁现象的规律,终于被他用明确的数学形式揭示出来。电磁学到此才开始成为一种科学的理论。

  在自然科学史上,只有当某一科学达到了成熟阶段,才可能用数学表示成定律形式。这些定律不仅能解释已知的现象,还可以揭示出某些尚未发现的东西。正如牛顿的万有引力定律预见了海王星一样,麦克斯韦的方程式预见了电磁波的存在。因为,既然交变的电场会产生交变的磁场,而交变的磁场又会产生交变的电场,这种交变的电磁场就会以波的形式,向空间散布开去。麦克斯韦作出这一预见时,年仅31岁。这是麦克斯韦一生中最辉煌的一年。

  麦克斯韦继续向电磁领域的深度进军。1865年,他发表了第三篇电磁学论文。在这篇重要文献中,麦克斯韦方程的形式更完备了。他并且采用一种新的数学方法,由方程组直接推导出电场和磁场的波动方程,从理论上证明了电磁波的传播速度正好等于光速!这与麦克斯韦四年前用实验推算出的结论完全一致。至此,电磁波的存在是确信无疑了!

  于是,麦克斯韦大胆地宣布:世界上存在一种尚未被人发现的电磁波,它看不见,摸不着,但是它充满在整个空间。光也是一种电磁波,只不过它可以被人看见而已。

  麦克斯韦的预言,震动了整个物理界,麦克斯韦《电磁学通论》的出版,成了当时物理学界的一件大事,第一版几天内就销售一空。

  4.教授与爱犬

  麦克斯韦教授每天都到剑桥大学的卡文迪许物理实验室去。他巡视每个人的工作,但在任何地方都不过多地停留。有时他沉缅于自己的思考之中,竟然连学生向他提出的问题都听不见。因此,当第二天教授走到某个学生身旁对他说话时,这个学生会感到出乎意外的愉快。

  “哦,昨天是您向我提出了一个问题,我考虑过了,可以告诉您……”

  教授的回答自然是全面而详尽的,这里无须再加说明。麦克斯韦一向尽力使他的学生们相信,他只是向他们提出建议,而不想让他们把他的话当作是教训,仅仅是建议而已。

  为使巡视实验室的工作尽量显得随便、自然,他到哪儿去的时候几乎总带着一条小狗,狗的名字叫托比,是他从格林列依带来的。

  “假如散步不带着狗,我就觉得自己很糊涂。”麦克斯韦总喜欢重复这句话。

  托比在实验室里表现很好,当离它不远的地方由于放电而“拍、拍”作响时,它就发怒地叫起来,显出一副惊恐不安的样子,直到主人抚摸它后,才安静下来。它能满足主人的一切要求,即使把电极触在它颈上也可以,这时托比悄悄地叫几声,不过是装装样子而已。

  有人在亨利·卡文迪许的记事簿上发现有这样的记载:狗毛磨擦放电要大于猫毛磨擦放电。托比在实验室似乎应该为狗的同类捍卫这种荣誉。通常将托比安置在一个专门的坐垫上,之后,人们就用毛皮来磨擦。出于对主人的恭顺,托比忍耐着,而心里多半指望这一切能够早点结束。

  “活狗比死狮子强!”有一次麦克斯韦说道,并停止在爱犬身上做实验。当然只是在卡文迪许的实验被证实以后,他才这样说。

  唯有托比享有特殊优待,当主人做实验时,它可以一直呆在实验室里。麦克斯韦时常由于醉心于工作而忘掉了世界上的一切。工作时他总喜欢吹口哨,沉思时不由自主地把手伸向托比卧着的地方,抚摸着爱犬,一边还用低沉的嗓音说着:

  “托比……托比……托比。”

  5.艰难困苦的晚年

  任何新理论的问世,都要经过严峻的考验。《电磁学通论》虽然被抢购,但真正读懂它的人却不多。不久,就听到有人批评它艰深难懂。电磁理论问世后,在相当长的时间里,并未得到科学界和社会的承认,最初,只有一些剑桥大学的青年科学家支持他。许多人,包括一批卓有威望的学者,对未经证明的新理论.都采取观望态度。一位著名的现代物理学家曾感叹说:“麦克斯韦的思想是太不平常了,甚至象亥姆霍兹和波耳兹曼这样有异常才能的人,为了理解它,也花了几年的力气。”

  麦克斯韦晚年的生活相当不幸。他的学说没有人理解,妻子又久病不愈。这双重的打击,压得他精疲力竭。妻子病后,整个家庭生活的秩序都颠倒了。麦克斯韦为了看护她,有时整整三周没在床上睡过觉。尽管如此,他的讲演,他的实验室工作,却从没有中断过。过分的焦虑和劳累,终于夺去了他的健康。同事们注意到这位勤奋的科学家很快消瘦下去,面色也越来越苍白。只有他那颗科学家坚强的心灵,永远没有衰退。

  1879年,是麦克斯韦生命的最后一年。这一年的春天来得很晚,也格外的冷。他的健康已经明显恶化,可是仍然坚持着工作,不懈地宣传电磁理论。他的讲座这时仅有两名听众,一名是美国来的研究生,另一名就是后来发明了电子二极管的弗莱明。这是一幕多么令人感叹的情景啊!空旷的阶梯教室里,只在头排坐着两个学生。麦克斯韦夹着讲义,照样步履坚定地走上讲台,他面孔消瘦,目光闪烁,表情庄重。他仿佛不是在向两名听众,而是向全世界解释自己的理论。

  1879115日,麦克斯韦因癌症不治去世,终年49岁。物理学史上一颗可以同牛顿交辉的明星坠落了。他正当壮年,却不幸夭折,这是非常可惜的。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路,可是他的功绩生前却未得到重视。直到他死后许多年,在赫兹证明了电磁波存在后,人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。

位移电流:

  在麦克斯韦以前,包括法拉第在内,人们讨论电流产生磁场时,指的总是传导电流,也就是在导体中自由电子运动所形成的电流。麦克斯韦在研究中发觉了新的情况。例如,把两块中间夹着介质的金属板(即电容器)接在交变电源上,介质内并不存在自由电荷,也就是没有传导电流,可是磁场却同样存在。这是为什么呢?法拉第没有解释过。麦克斯韦经过反复研究和分析,找到了答案。他正确地指出,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,他把它称为“位移电流”。
录入者:刘凯 责任编辑:宋晓友

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