電磁學的騰飛,緣於一次歷史性的會面!

2020-12-17 蝌蚪五線譜

話說一代物理學大師法拉第雖然把電磁場、磁力線和電力線等重要概念引入物理學,也被公推為英國皇家學會會長,但他一直有個遺憾,就是只能把電磁學研究停留在力線的描述上,無法上升到定量的理論高度。沒有理論支撐,電磁學就不可能在人類的生產、生活中大量應用。

這種遺憾,在讀到一篇論文後,終於消失了。論文叫《論法拉第的力線》,作者是一個聲名鵲起的年輕人。

「作者很可能延續我的夢想,為電磁學插上騰飛的翅膀。」法拉第甚至樂觀地認為。隨即,他給年輕人寫了一封信,對他表示祝賀和感謝。

從此,年邁的法拉第靜靜等待年輕人的來訪。

誰知這一等就是四年!

那個讓法拉第如此期待的年輕人是誰呢?

敢於挑戰的物理迷

年輕人叫詹姆斯麥克思韋。

麥克思韋生於蘇格蘭的古都愛丁堡。他幼年時隨父親居住鄉間,開始接觸科學。8歲那年,他與父親到愛丁堡皇家科學院聽科學演講,並對物理產生興趣。次年,麥克思韋的母親不幸病逝,從此他與父親相依為命,渡過了艱難的少年時代。

麥克思韋15歲時,一篇論文發表在《愛丁堡皇家學會會報》上。這篇運用數學理論來解決物理問題的論文獲得了行家的好評。他16歲考入愛丁堡大學學習物理,19歲轉入劍橋大學,投師霍普金斯教授門下研習數學。霍普金斯學識淵博,培養過不少科學家,比如科學多面手威廉湯姆遜、數學家斯託克等。

學生時代的麥克斯韋。(來源於博客)

名師出高徒。在霍普金斯的教導下,麥克思韋進步很快,短短兩三年就掌握了歐洲所有先進的數學物理方法。他因設計著名的色陀螺而轟動法國科學界,獲得皇家學家獎章,並被聘為大學教授。

早在劍橋大學大學求學時,麥克思韋就被法拉第的嶄新觀念所吸引。某天,他無意間看到法接第的《電學的實際研究》一書,越看越入迷。由此,他對電磁學產生濃厚的興趣,並立志把電磁場進行量化。

用數學公式表達看不見摸不著的電磁場,這可是不小的難題。富於挑戰精神的麥克思韋經過仔細思考,決定分兩步走:一是把法拉第提出的電磁場比做流體場,並由此建立一個關於電磁力的物理模型;二是運用數學公式精確描述電磁之間的關係。

正當麥克思韋深入研究電磁力線時,父親病重的消息不期而至。為了照顧父親,麥克斯韋只得中斷科學研究,離開劍橋大學,回到家裡,日夜守護在病床邊。

這時,蘇格蘭北部阿伯丁港馬銳斯凱爾學院發來邀請函,說本校自然哲學講席空缺,請麥克斯韋擔任自然哲學教授。父親與世長辭後,他輕裝前往馬銳斯凱爾學院上任。

麥克思韋在那裡任教三年,期間與院長的女兒結婚。後來,馬銳斯凱爾學院和另一家學院合併,麥克斯韋不得已離開了阿伯丁。

在馬銳斯凱爾學院任教期間,麥克思韋解開了土星光環之謎(他證實土星外圍的環是由一塊塊不相粘附的物質組成,100多年後「航行者」太空推測器到達土星周圍後證實了此理論),並運用統計方法得到了氣體分子運動速度的分布規律,這便是著名的「麥克斯韋速度分布律」。僅僅這兩項成就,就足以讓他成為歐洲第一流的科學家。

在處理家事及教學自然哲學的過程中,麥克思韋對電磁場的研究時斷時續。聯想到法拉第給自己寫的信,以及自己在日常研究中的困惑,他決定抽時間拜訪這位前輩。

電磁學史上的著名會面

1860年秋天,受倫敦皇家學院邀請,麥克思韋擔任英國一所大學的數學教授。一個晴朗的秋日,麥克斯韋前往市區拜訪法拉第。

法拉第的府第前,麥克思韋把他四年前發表的學術論文及一張名片恭敬地遞給老僕人。過了一會兒,滿臉笑容的法拉第迎了出來。

這位電磁學實驗大師已經70多歲,兩鬢斑白,智慧的眼睛裡閃著和善的目光。

儘管二人年齡相差40多歲,在所受教育、個人性情、愛好、志趣等方面迥然各異,但他們一見如故,很快就親切地交談起來。或許這就是中國人所說的「忘年交」吧。一老一少,老的連小學也沒畢業,少的卻是名牌大學的高材生;老的滿臉慈祥,說話快似倒豆,少的一臉嚴肅,雖不善辭令,但出語便一針見血;老的善於做實驗,喜歡用直覺描述現象的本質,少的精通數學,喜歡用數學來描述物理現象……

交談中,他們達成共識,就是堅信電磁場的物質性,反對牛頓的超距作用,而他們的共同目標是建立可用數學公式來描述的,不屬於牛頓哲學體系的電磁學理論!

「請老師指出我論文中的不足。」麥克思韋誠摯地說。

「論文很不錯,出乎我的意料,」法拉第興奮地說,「不過,你不能只用科學來支持我的觀點,而應該用數學公式來表達它。」

「非常感謝,我一直在努力!」麥克思韋站起來敬禮。

「年輕人,加油。希望你能讓我在死前看到如何用數學來描述電磁場!」法拉第臨別時說道。

法拉第的鼓勵,讓麥克思韋深受鼓舞。四年多時斷時續的研究後,麥克斯韋終於靜下心來,全力鑽研電磁學。1861、1862這兩年,他先後發表了四篇以「論物理的力線」為主題的論文。他在第二篇中引入「位移電流」的概念,取得了關鍵性的突破。這種突破,透出電氣時代的一絲曙光。

電氣時代早期的電話局工作場景。(來源於網絡)

後記

通過見面交流,麥克思韋更加理解法拉第對電磁學的貢獻,並為其謙虛謹慎的精神而佩服不已。1867 年法拉第去世後,他在悼詞中寫道:「法拉第通過他的力線概念來統一地理解各種電磁感應現象,他運用這種想法的方式顯示出他是一位高超的數學家——未來的數學家將能從他那裡獲得豐富而有價值的方法……也許下一個像法拉第一樣的哲人能夠發展出全新的科學,而我們今天很可能連它的名稱都還不知道。」

麥克斯韋與法拉第的這次會面,成為科學史尤其是物理學史上的美談。它象徵著電磁學實驗和理論的有機結合,寓示著電磁學即將騰飛。會面之後,麥克斯韋通過一個數學方程組來成功描述電磁現象。這個被譽為「神仙寫出來」的方程組,為無線電的發展及即將到來的電氣時代奠定了理論基礎,並最終導致電燈、電話等電器走進千家萬戶。由此,麥克斯韋成為世界物理史上繞不開的一代大咖。欲知後事,請看下集《無線電發展的基礎,原來是這位「神仙」寫出的!》。

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