英年早逝的全才物理學家,啟蒙愛因斯坦,奠基量子力學和相對論

2020-12-06 劉老師聊科學

愛因斯坦曾經說過:「我不是站在牛頓的肩膀上,而是站在詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的肩膀上。」

千禧年時,曾在很多國家做過一個調查,讓民眾對百位物理學家排名,第一名是愛因斯坦,第二名是牛頓,麥克斯韋位居第三。伽利略,排在第六位。費曼,第七名。

麥克斯韋雕像

為什麼麥克斯韋如此重要?

可以說,我們使用的每一臺電子設備,都建立在麥克斯韋在19世紀60年代論文所闡述的原則上。

在他之前,人們一直在與機械世界打交道。麥克斯韋在機械模型和我們今天使用的模型之間架起了橋梁。

朗艾爾等很多當代物理學家說,麥克斯韋在色彩理論、熱力學、物理學和數學等方面為現代社會奠定了基礎,他也被稱為「現代物理之父」。

那麼,為什麼麥克斯韋在很大程度上被遺忘了呢?

大部分物理學家認為,真正的原因是——外行人很難理解他的貢獻。

麥克斯韋《論物理力線》

生平

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell),在1831年6月13日,出生於蘇格蘭愛丁堡一個非常富有的家庭。

麥克斯韋

據說,他記憶力驚人,在8歲時,就能夠背誦很多彌爾頓的作品和聖經中最長的詩篇。也在這一年,他母親去世。父親開始引導他對於科學的熱愛。

14歲時,麥克斯韋爾發表了他的第一篇科學論文——怎樣通過簡單的步驟生成複雜的幾何圖形。因為愛丁堡皇家學會不接受未成年人的投稿,所以這篇論文被朗讀給了學會裡的人。

後來,他去劍橋上大學,並獲得了史密斯獎(該獎授予在一系列數學和物理考試中表現最好的學生)。他23歲時成為三一學院的一員。

除了對於物理和數學的熱愛,麥克斯韋還是一個蘇格蘭詩歌愛好者。他曾根據羅伯特·彭斯的《穿越麥田》改編了一首詩歌《剛體》(Rigid Body Sings),邊彈吉他邊唱。在他去世後,他的朋友劉易斯·坎貝爾出版了他的詩集。

1879年11月5日,年僅48歲的麥克斯韋死於腹部癌症,英年早逝。他的母親之前也是在同樣的年紀因為同樣的癌症死亡。

寫給彼得·泰特(物理學家)的明信片

麥克斯韋電磁學理論

愛因斯坦將麥克斯韋的電磁輻射理論描述為「自牛頓時代以來最深刻、最富有成果的理論」。

麥克斯韋方程組準確而完整地描述了電磁學。它們是經典電磁學、經典光學和電路的基礎。

麥克斯韋方程組描述了電荷和電流如何產生電場和磁場。此外,它們還描述了電場如何產生磁場以及磁場如何產生電場。麥克斯韋方程組有四個方程,分別是:高斯定律——計算電荷產生的電場;高斯磁場定律——可用來計算磁場;法拉第定律——描述了時變磁場如何產生電場;和麥克斯韋-安培定律——磁場可以通過兩種方式產生(電流和變化電場)。

在他死後十年,赫茲才最終證明了麥克斯韋電磁理論的正確性。

麥克斯韋方程有無數的應用,任何使用電流或磁鐵的設備都是建立在它們的基礎上的。

麥克斯韋方程組

麥克斯韋推斷出穿越真空的振蕩電場和磁場波的存在。此外,1864年,麥克斯韋發表了論文《電磁場動力學理論》,提出了光傳播的電磁理論。他判斷光是電磁波,從而提出電場、磁場和光都可以用一個單一的理論來解釋。

麥克斯韋的光傳播電磁理論被認為是繼艾薩克·牛頓的第一個大統一理論之後的「物理學上的第二次大統一」。

並且,從這之後,物理學家真正掌握了場的概念,場成為了物理學的語言。場和波粒二象性息息相關,是量子力學的基礎,在這之上,才有了愛因斯坦在廣義相對論等方面的偉大發現。

解釋了土星環為何穩定

除了在電磁學方面的研究,麥克斯韋還準確地描述了土星環穩定的原因。

1610年,伽利略第一次觀察到了土星環。不過,到19世紀時,土星環如何能保持穩定不解體、而不撞向土星,還是一個天文學界的謎。

在麥克斯韋二十多歲的時候,他花了兩年時間就解決了這個困擾了科學家們200年的問題。他指出,一個規則的固體環不可能是穩定的,一個流體環會受到波的作用而分解成小團。麥克斯韋推斷出土星環之穩定的原因:它一定是由無數粒子組成的,每個 粒子都獨立地繞著土星運行。

1859年,他的論文《論土星環運動的穩定性》獲得由劍橋大學頒發的著名的亞當斯獎。

旅行者2號拍的土星圖像

1980年,過了一個多世紀後,麥克斯韋的預測被旅行者2號宇宙飛船傳回的圖像所證實。我們現在知道了土星環由無數小顆粒組成,它們大小從1微米到1米不等。

對色彩理論和攝影的貢獻

牛頓發現,將光譜中七種不同比例的顏色混合在一起可以產生任何一種複合顏色,奠定了顏色理論的基礎。

託馬斯·楊在牛頓的基礎上發展了三原色理論。

1849年起,麥克斯韋爾在三一學院的時候,開始認真地研究色彩理論。

在1855年到1872年之間,他發表了一系列關於顏色知覺、色盲和顏色理論的研究報告。

1855年,麥克斯韋用線性代數證明了楊的理論。他提交光學論文《顏色視覺理論》給英國皇家學會,並獲得了拉姆福德獎章。他提出,色盲是由於個體無法識別紅光,並最終證明了三原色理論——任何自然顏色都可以由紅色、綠色和藍色產生。

由此誕生了色彩匹配實驗和比色法這種技術,並被用於量化和物理描述人類的色彩感知。

麥克斯韋拍了世界上第一張彩色照片

麥克斯韋認為,如果任何三種光都能再現任何可感知的顏色,那麼用一組三色濾光片就可以製作出彩色照片。1861年,在英國皇家學會關於色彩理論的演講中,麥克斯韋展示了世界上第一個使用三色分析和合成原理的彩色攝影。他給一條花格緞帶拍了三次照片:先是紅色的濾光片,然後是綠色的濾光片,最後是藍色的濾光片。將這三幅圖像同時投射到屏幕上,出現了格子布的彩色圖像。這是世界上第一張彩色照片。

氣體動力學理論

麥克斯韋是第一個將概率論和統計學方法應用於描述分子組合特性的人。

麥克斯韋意識到,所有的氣體粒子都不會以當時假定的同樣的速度運動。這是因為它們之間的碰撞會使一些粒子加速,另一些粒子減速。麥克斯韋指出,氣體中的粒子具有一種特殊的統計分布,這就是著名的麥克斯韋-玻爾茲曼分布,以他和奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)命名,這個分布構成了氣體動力學理論的基礎。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布

麥克斯韋妖和資訊理論

麥克斯韋在熱力學方面的研究使他設計了後來著名的「麥克斯韋妖」思想實驗。

在實驗中,妖控制著兩個氣室之間的一扇小門。當單個的氣體分子靠近門時,妖迅速地打開門並馬上關閉,這樣,快速分子進入了第二個房間,而慢分子留在了第一個房間。速度快的分子比慢的分子更熱,於是,妖的行為導致一個腔體變熱,另一個腔體變冷,從而熵減少了,違反了熱力學第二定律。

麥克斯韋妖立刻引起了人們的興趣,到現在仍然引起物理學家的爭論,並產生了許多重要的成果,包括資訊理論的發展。信息熵定義為隨機確定的數據來源所產生的平均信息量。麥克斯韋的思想實驗提出的悖論最終導致了對信息的物理解釋的挑戰。

麥克斯韋妖圖示

在我看來,麥克斯韋在對描述世界運行方式的貢獻上,與牛頓和愛因斯坦不相上下,沒有麥克斯韋電磁理論,我們就不會有今天的電子工業,生活和文化都不會像今天一樣。

而如果他不因為癌症而英年早逝,那麼,是不是量子力學能更早誕生,今天的科技會不會更加發達?

可是沒有如果,有太多天才如麥克斯韋、高斯、圖靈、黎曼等,生命在人生最美好的年紀裡畫上了句號,留下了我們後人的景仰和嘆息。

如果喜歡這篇文章,請關注劉老師,每天帶來硬核科普。

相關焦點

  • 愛因斯坦獲諾貝爾獎不是因相對論,而是它,它打開量子力學的大門
    大家好,歡迎收看量子科普第94期,我是常常,今天和大家聊一聊愛因斯坦的相對論與真正讓愛因斯坦獲得諾貝爾獎的光電效應定律。阿爾伯特·愛因斯坦被譽為繼伽利略·伽利雷、艾薩克·牛頓之後世界上最偉大的物理學家,如今我們一提到愛因斯坦,肯定就會想起愛因斯坦提出的相對論,愛因斯坦分別於1905年、1915年創建狹義相對論、廣義相對論,愛因斯坦的相對論解決了牛頓經典力學在宏觀高速世界不適用的問題,相對論創造性的將時間維度與三維空間聯繫在一起,提出「四維時空」概念,將整個人類對於世界、對於宇宙的認知提升到了一個全新的程度
  • 人類歷史上最偉大的十個物理學家,愛因斯坦只排第二,第一是他
    由於他取得的上述巨大成就,使他成了20世紀最重要的理論物理和原子物理學家。公元1901~公元1976,德國物理學家維爾納·卡爾·海森堡由於在取得整個科學史上的最重要的成就之一——量子力學的創立中所起的作用,於1932年獲得諾貝爾物理獎。
  • 為什麼量子力學和相對論有矛盾?超弦理論或將統一物理學
    這種情況直到20世紀才被打破,牛頓力學遲遲解決不了黑體輻射和光速不變這兩朵物理學天空中的烏雲,這兩大問題的解決也分別催生了量子力學和相對論。相對論和量子力學都可以說是人類智慧的結晶,它們都經過了最嚴格的實驗驗證,都是當前最成功的理論。
  • 量子力學和廣義相對論的時空背景有何不同?
    量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩根支柱,但是大家應該也聽說過了,這兩個基礎理論是水火不相容的!量子力學在量子力學中,物理學家一開始假定空間、時間作為描述粒子狀態的兩個物理量,是具有連續性(連續譜)的。因此,在波函數的歸一化條件中,會引入積分符號,並且波函數的模平方僅僅代表的是概率密度而不是概率。
  • 學完愛因斯坦的所有理論需要多長時間?
    愛因斯坦是上個世紀最偉大的科學家,他在物理學上有很多重大的貢獻。他創立的狹義相對論和廣義相對論是二十世紀建立起的兩座物理大廈之一。另一座物理大廈是量子力學,愛因斯坦為解釋光電效應提出的光量子概念可謂是量子力學的重要根基。後來,愛因斯坦和波爾多斯基及羅森共同提出的EPR佯謬深刻影響了量子力學的發展。
  • 相對論的先驅、最後一位全才數學家 021
    他是首屈一指的相對論先驅:他先於愛因斯坦提出了相對性原理和光速不變原理。「他的權威現在已被公認,他能夠進入所有時代最偉大的數學家行列之中,未來的幾代人將不可能修改這一論斷」「數學家、哲學家、詩人、藝術家的昂利·彭加勒也是一位作家。
  • 量子力學與廣義相對論以及弦理論
    現代物理學有兩大基石,量子力學與廣義相對論,那麼在這其中,量子力學是用來解釋微觀世界的理論。量子力學的法則支配著微觀世界的原子和基本粒子的行為,想知道電子光子等基本粒子如何運動,以及它們與什麼樣的力發生相互作用的話,就必須要用到量子力學。
  • 量子力學與相對論之間的競爭,誰更勝一籌呢?
    經歷世紀風雨的相對論創立於20世紀之初的物理學兩大理論——量子理論和相對論,是20世紀物理學大廈的基石。自愛因斯坦1905年發表描述運動相對性的論文《論動體的電動力學》至今已經過去110年,進入21世紀,相對論依然主宰著物理學的世界。歷經世紀風雨的相對論是否會被一個全新的理論改寫?
  • 量子力學和廣義相對論相互矛盾,它們能調和統一嗎?
    但是,當我們開始思考大問題時(今天要回答的量子力學和廣義相對論能否調和),我們的自信直線下降。量子力學與行星無關嗎?廣義相對論是能量等於質量乘以光速平方倍(E=mc^2)的相對論嗎?運動是相對的還是永恆的?時間是什麼?不要害怕,雖然這個問題很難回答,但是這個問題本身就像解密流行歌手的歌詞一樣簡單。
  • 量子力學和相對論之間究竟存在著什麼樣的關係?
    首先來說,愛因斯坦的相對論分為兩個部分:狹義相對論、廣義相對論,狹義相對論主要解釋了牛頓經典力學在宏觀高速世界無法解釋的一些現象(針對於慣性系),而廣義相對論是狹義相對論的推展(非慣性系),主要解釋了時空及引力只是時空扭曲的表現,也正是因為廣義相對論中愛因斯坦關於時空、引力的解釋,與量子力學的時空觀截然不同。
  • 為什麼科學家非要統一相對論和量子力學?沒統一會帶來哪些後果?
    物理學家的統一大業 按照目前主流的科學認識,近代科學起源於文藝復興時期的歐洲,從哥白尼革命開始,伽利略實現的近代實驗科學的奠基,第谷和克卜勒讓天文學和佔星術徹底分家,牛頓則是將那個時代的龐雜的知識進行集大成,確定了科學的範式。
  • 現代物理學的困境——量子力學和相對論之間的矛盾
    簡單地說,引力是一種影響和改變物體運動的力。至少的愛因斯坦出現之前是這樣的。愛因斯坦通過他的廣義相對論,詳細闡述了引力的數學公式,這個力被理解為時空「不可避免的扭曲」。但是,這種扭曲是如何發生的呢?他們短暫地體驗了生活所能提供的所有快樂和自由,但當他們撞上一堵牆並被原子吸收時,他們的存在就消失了。所以,在狹義相對論中,物質和能量是可以相互轉換的,如果能量可以被創造或毀滅,那麼質量也可以被創造或毀滅。因此,我們可以同時創造光子和電子。你只需要一個空盒子,它們就會神奇地出現。當然,如果它們真的出現了,它們會馬上消失。
  • 現代物理學的困境——量子力學和相對論之間的矛盾
    簡單地說,引力是一種影響和改變物體運動的力。至少的愛因斯坦出現之前是這樣的。愛因斯坦通過他的廣義相對論,詳細闡述了引力的數學公式,這個力被理解為時空「不可避免的扭曲」。但是,這種扭曲是如何發生的呢?無論什麼時候,任何東西都試圖以直線穿過宇宙,這個物體都會沿著一個軌跡運動,這個「軌跡」會被附近任何形式的質量和能量所彎曲。
  • 為什麼牛頓、愛因斯坦和霍金之後,楊振寧就是最偉大的物理學家?
    人類歷史上有沒有比愛因斯坦更牛的物理學家?不少人都認為,愛因斯坦的大腦非同一般,以至於負責其逝世後遺體解剖的醫生,趁著難得的親近機會將這個讓世人好奇的器官直接偷走,就連愛因斯坦的眼球都沒有放過。
  • 頂級物理學家的辯論:愛因斯坦的"光盒子"
    索爾維會議致力於研究物理學和化學中突出的前沿問題,每三年舉辦一次;參加者都是一流物理學家與化學家,索爾維會議在物理學的發展史上佔有重要地位,在二戰期間中斷過幾次會議,直到今天也仍在舉辦。正在不知愛因斯坦&34;的時候,愛因斯坦的臉上突然現出一抹詭笑,說道:&34;就在這一瞬間,玻爾恍然大悟,意識到他和哥本哈根詮釋陷入了&34;。這第二次稱重的細節,玻爾實在沒有想到;原來,在專利局的時候,愛因斯坦就有了驚人的發現,質量和能量是不可分的。
  • 愛因斯坦:偉大物理學家的一生
    阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)是一名德裔美國人物理學家,可能是20世紀最著名的科學家。他的相對論描述了光和超大質量實體的動力學,是現代物理學的基礎之一,此外他在量子力學方面的工作主要集中在亞原子領域。
  • 相對論為啥沒獲諾獎?來看看愛因斯坦和諾貝爾獎的「恩怨」
    狹義相對論引入了兩個原理,即狹義相對性原理和光速不變原理,通過洛倫茲變換擴展了牛頓運動學。廣義相對論是關乎物質間引力和動力學的理論,發明了引力場和引力波概念,確立了等效原理和廣義相對性原理,然後應用黎曼幾何拓展了牛頓的萬有引力定律。
  • 世界上最著名的物理學家盤點:第一是愛因斯坦
    在人類歷史上有許多著名的科學家,為世界科學的發展做出了重大貢獻,值得我們稱讚和學習。今天本文要盤點是世界五大著名物理學家,分別是愛因斯坦、牛頓、法拉第、伽利略、亨利·卡文迪。1、愛因斯坦提到愛因斯坦,相信大家比較熟知,他是現代最偉大的科學家之一。
  • 伽利略、牛頓、愛因斯坦、霍金四位物理學家的「糾纏」
    要說近代比較有名的物理學家,想必有四位大家都聽過,他們是伽利略、牛頓、愛因斯坦、霍金。伽利略論證了日心說;牛頓發現了萬有引力;愛因斯坦提出了相對論;霍金髮表了《時間簡史》。他們靠著自己天才的頭腦為人類做出了不小的貢獻,值得所有尊重。
  • 量子力學與廣義相對論
    量子力學和廣義相對論是目前人類描述微觀世界和宏觀世界的兩套比較精確的理論。然而這兩套理論卻是各自為政的,量子力學掌管著微觀尺度,而廣義相對論則掌管著宏觀尺度。然而問題來了,微觀跟宏觀的界限在哪裡呢?也就是說多小的尺度才是微觀?