麥克斯韋對當代物理學的貢獻,讓電磁學成為物理學通用語言

2020-12-05 無名狂客

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

1931年10月,劍橋大學舉行了麥克斯韋誕辰一百年紀念會,尼爾斯·玻爾在會上發表了一篇有關麥克斯韋和現代理論物理的演講。玻爾指出麥克斯韋的電磁學理論為人類了解原子世界作出了貢獻,也為創立量子理論提供了基礎。雖然量子理論超越了麥克斯韋的學說,但量子力學中的分析手段離不開麥克斯韋的理論,尤其是在建立光量子能量和動量之間的關係時。玻爾認為麥克斯韋的理論在物理學中的核心地位不會喪失,因為量子物理定律中的公式都是按照麥克斯韋所描述的經典世界創建的。

我們都知道,原子理論的迅速發展使我們現在已經不能再像原來那樣直接利用麥克斯韋的理論來解決原子內部的問題。但我要強調的是,正是因為有了光的電磁學理論,我們才可能去分析輻射現象,才可能認識到自然法則的一個全新特徵。的確,普朗克關於量子行為的重要發現使我們必須從根本上修正自然科學中的所有觀念。但即便如此,麥克斯韋的理論仍然能為我們的研究工作提供必不可少的指導。由電磁學理論可以推出輻射能量與動量之間的關係,而我們可以利用這種關係來解釋康普頓效應,雖然愛因斯坦的光子理論明確指出康普頓效應與經典理論之間存在著明顯的區別。麥克斯韋的理論在原子理論後來的發展中仍然具有一定的指導意義。儘管盧瑟福勳爵對原子結構的完整描述說明普通力學和電動力學具有極大的局限性,但想在這一領域進一步拓展就必須儘可能緊密地聯繫牛頓和麥克斯韋的經典理論。

乍看起來,我們似乎需要從本質上對麥克斯韋的理論進行修正,甚至有人指出,應該在麥克斯韋著名的自由空間電磁場方程中加入新項。但麥克斯韋的理論高度自洽非常完美,人們無法對它進行這樣的修正。實際上,我們只能對整個理論進行一致化處理,更確切地說就是把麥克斯韋的方程翻譯成一種新的物理語言,這種新語言通過為麥克斯韋理論中的每一個特徵找到其在新形式下的對應特徵來反映基本物理過程中的不可分性。前一段時間,德布羅意、海森堡、薛丁格和狄拉克在量子力學或電動力學方面所取得的突破性進展已經在很大程度上實現了上述目標。

今天,當我們聽到物理學家們談論「電子波」和「光子」的時候,這些概念似乎已經完全脫離了牛頓和麥克斯韋建立起來的理論基礎;但是我認為,大家都會同意這樣一個觀點:這些新觀念雖然發揮了很大的作用,但它們不過是一種用來說明量子理論特殊性的便捷方法,缺乏一般意義上的形象化特徵。不要忘記,只有關於物質粒子和電磁波的經典觀念得到了實際的應用,而光子和電子波的概念還沒有應用到實踐中。應用受到限制的主要原因是由於存在量子效應,不可能認為觀察到的現象與所用的儀器無關。作為一個例子,我想談一下麥克斯韋理論最著名的應用,也就是在無線電傳輸領域中的應用。認為電磁波由光子組成只不過是形式上的說法而已,因為我們在發射和接收電磁波的時候是無法確定電磁波中包含的光子數目的。因此我們可以說,以計數為本質的光子概念已經徹底不復存在了。

為了進一步說明問題,我們可以想像一下如果嚴格符合量子力學規律的電子衍射和光子效應是在麥克斯韋和法拉第的工作問世之前就已經發現了,那將出現什麼樣的情況呢?當然,這種情況是不可能出現的,因為用來解釋以上實驗發現的理論是以麥克斯韋和法拉第這兩人的理論成果為依據的。不過,我們還是可以發揮一下我們的想像力,問問自己,如果沒有麥克斯韋和法拉第的理論,科學會處於一個什麼樣的水平。我想如果說我們應該在牛頓和惠更斯認為光是一種物質的理論上加以拓展,這並不為過。事實上,我們應該意識到的是,對任何測量結果的準確解釋都必須建立在經典物理理論的框架之內,從這個意義上我們可以說,牛頓和麥克斯韋的語言仍將是物理學家們的通用語言。

相關焦點

  • 第二次實現物理學大統一的麥克斯韋
    麥克斯韋出生在蘇格蘭愛丁堡,從小表現出智商的早熟,16歲就讀完中學進入愛丁堡大學學習,他用三年的時間修完四年的知識,隨後進入劍橋大學深造,在劍橋大學三一學院數學系學習,以第二名的成績獲得了史密斯獎學金,可見他智商優於常人。在他任命為阿伯丁的馬裡沙爾學院自然哲學教授時認識了馬沙爾學院院長的女兒,他們相戀並結婚。
  • 麥克斯韋明明統一了電磁學,為何只能排在牛頓、愛因斯坦後面?
    無論是哪個排行榜,前三必定是牛頓、愛因斯坦與麥克斯韋,其中牛頓與愛因斯坦兩位物理學家的成就太過於驚人,論地位完全可以平起平坐,而麥克斯韋只能獨享第三把交椅。不過若論對物理學以及人類生活的影響力,三位大神基本上不分高下。作為電磁學的創始人,現代文明的先驅者,麥克斯韋為何只能夠排行第三?咱們來探討一下:牛頓牛頓的成就大家基本上耳熟能詳,從初中課本上,我們就開始接觸牛頓。
  • 麥克斯韋是電磁學的集大成者,為什麼不如牛頓和愛因斯坦知名度高
    在物理學領域,「一牛二愛三麥」已成為大家比較認可的共識,也有一些人認為愛因斯坦是歷史上最偉大的物理學家,牛頓位居其次。總的來說,牛頓與愛因斯坦並駕齊驅毫無爭議,麥克斯韋緊隨其後。但是就從物理學的貢獻來說,牛頓與愛因斯坦是一個等級的,而麥克斯韋又是另外一個等級。我們就從他們對物理學的貢獻說起。牛頓牛頓最重要的物理學理論就是他的萬有引力定律與牛頓三大定律。
  • 麥克斯韋方程租,跨時代的電磁學
    1873年出版的《論電和磁》,也被尊為繼牛頓《自然哲學的數學原理》之後的一部最重要的物理學經典。麥克斯韋被普遍認為是對物理學最有影響力的物理學家之一。沒有電磁學就沒有現代電工學,也就不可能有現代文明。還有在了解了麥克斯韋的科學成就之外,我們還應該關心一下他的生活狀況,因為,他的家庭狀況以及生活情況都是我們了解麥克斯韋簡介的一部分,在1831年的時候麥克斯韋出生在一個富裕的家庭裡,他從小就表現出了數學方面異於常人的天賦,之後畢業於英國的劍橋大學,成為了當時學校裡最負盛譽的教授。
  • 人們把牛頓和愛因斯坦相提並論,麥克斯韋對電磁學的貢獻又如何?
    牛頓統一了物理學,愛因斯坦統一了空間和時間、能量和質量,而麥克斯韋統一了電和磁,三人都是人類科學史上的集大成者。在物理學中,牛頓和愛因斯坦的地位不相上下,1999年英國廣播公司(BBC)發起的評選「千年思想家」當中,前三名依次是馬克思、愛因斯坦和牛頓,而麥克斯韋排在第九位。
  • 為何麥克斯韋統一了電磁學卻不可以
    引言:物理學領域有一句廣為流傳的俗語:一牛二愛三麥,這句話總結了物理學領域的主要任務貢獻,意思是牛頓是物理學第一人,愛因斯坦排在第二,而麥克斯韋則排在第三。雖然有很多人對此排名有爭議,那麼他們到底是在爭什麼呢?
  • 麥克斯韋是電磁學的集大成者,為啥感覺比牛頓、愛因斯坦低一檔?
    客觀地說,僅僅從成就來看,牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋三人應該是並駕齊驅的,是理論物理學史上毫無爭議的第一梯隊的存在,而且第一梯隊有且只有這三位而已。可我們會發現,在很多人眼裡麥克斯韋的地位似乎遠不如牛頓、愛因斯坦,甚至都不如伽利略。不僅如此,很多人對牛頓、愛因斯坦的生平了解的很多,但很少人了解麥克斯韋的生平。
  • 麥克斯韋明明統一了電磁學,為什麼看起來卻低了牛頓、愛因斯坦一檔?
    客觀地說,僅僅從成就來看,牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋三人應該是並駕齊驅的,是理論物理學史上毫無爭議的第一梯隊的存在,而且第一梯隊有且只有這三位而已。可我們會發現,在很多人眼裡麥克斯韋的地位似乎遠不如牛頓、愛因斯坦,甚至都不如伽利略。不僅如此,很多人對牛頓、愛因斯坦的生平了解的很多,但很少人了解麥克斯韋的生平。
  • 沒有「牛頓和他」,就不會有現代文明,物理學他做出巨大貢獻
    這一理論成為經典物理學的重要支柱之一。他還預言了電磁波的存在,電磁波的存在也正式敲開了現代無線通信的大門。   他建立的電磁場理論,將電學、磁學、光學統一起來,是19世紀物理學發展的最光輝的成果,是科學史上最偉大的綜合之一
  • 物理學界鮮為人知的神祗——麥克斯韋
    經典電動力學的創始人,統計物理學的奠基人之一。麥克斯韋被普遍認為是對物理學最有影響力的物理學家之一。沒有電磁學就沒有現代電工學,也就不可能有現代文明。1831年6月13日生於蘇格蘭愛丁堡,1879年11月5日於劍橋大學逝世。
  • 天才物理學家麥克斯韋
    他為物理學樹起了一座豐碑。造福於人類的無線電技術,就是以電磁場理論為基礎發展起來的。麥克斯韋大約於1855年開始研究電磁學,在潛心研究了法拉第關於電磁學方面的新理論和思想之後,堅信法拉第的新理論包含著真理。於是他抱著給法拉第的理論「提供數學方法基礎」的願望,決心把法拉第的天才思想以清晰準確的數學形式表示出來。
  • 統一電磁學的麥克斯韋,如何影響了系統科學的發展?
    導語麥克斯韋為人熟知的主要原因是他對電磁學的貢獻,實際上,作為物理學家,麥克斯韋對系統控制的研究也持續多年,他對於控制器的早期探索深刻影響了維納等人對控制論研究。他是一位偉大的數學物理學家,是經典電動力學的創始人和統計物理學奠基人之一 。他最具代表性的貢獻是建立了「場論」,把電、磁、光三者統一為電磁場論,並建立了今天稱為麥克斯韋微分方程組的數學模型,還預言了電磁波的存在。圖1 麥克斯韋,偉大的數學物理學家,是經典電動力學的創始人和統計物理學奠基人之一 。
  • 麥克斯韋,到底有多牛 - 麥克斯韋,電磁,物理 - IT之家
    1871 年,麥克斯韋受聘為劍橋大學首任實驗物理學教授,並負責籌建該校第一所物理學實驗室——卡文迪什實驗室。1874 年,卡文迪什實驗室建成後,麥克斯韋擔任實驗室的第一任主任。卡文迪許實驗室後來舉世聞名,對整個實驗物理學的發展產生了極其重要的影響,被譽為 「諾貝爾物理學獎獲得者的搖籃」。
  • 麥克斯韋統一了電磁學,為何名氣不如牛頓和愛因斯坦?
    麥克斯韋在電磁理論,分子物理學、統計物理學、光學、力學等等領域都有很深的造詣,不過在他的學術領域中,最為突出貢獻的是他所建立起的電磁場理論。在物理學界,作為經典電動力學的創始人,統計物理學的奠基人之一,可以說麥克斯韋的成就是無與倫比的。偉大的科學家有很多,比如牛頓統一了經典物理學,愛因斯坦是統一了空間和時間、能量和質量,還有很多的科學家在此就不一一列舉了。
  • 馮端:漫談物理學的過去、現在與未來
    第二次綜合是麥克斯韋的電磁學。大家都知道,最初是庫侖定律,用以表達電荷與電荷間的相互作用力,也表達磁極與磁極之間的相互作用力。然後電與磁之間的關聯被發現了:奧斯特的電流磁效應,安培發現的電流與電流之間相互作用的規律,然後是法拉弟的電磁感應定律,這樣電與磁就連通成為一體了。最後,19世紀中葉,麥克斯韋提出了統一的電磁場理論。電磁定律與力學規律有一個很大的不同。
  • 馮端:漫談物理學的過去、現在與未來
    第二次綜合是麥克斯韋的電磁學。大家都知道,最初是庫侖定律,用以表達電荷與電荷間的相互作用力,也表達磁極與磁極之間的相互作用力。然後電與磁之間的關聯被發現了:奧斯特的電流磁效應,安培發現的電流與電流之間相互作用的規律,然後是法拉弟的電磁感應定律,這樣電與磁就連通成為一體了。
  • 電磁學歷史簡介
    保持麥克斯韋方程組形式不變的變換為洛倫茲變換,在此變換下,不同慣性座標下光速恆定。二十世紀初,邁克耳孫-莫雷實驗支持光速不變,光速不變亦成為愛因斯坦的狹義相對論的基石。取而代之,洛倫茲變換亦成為較伽利略變換更精密的慣性座標轉換方式。
  • 麥克斯韋,到底有多牛?(那令人崩潰的麥克斯韋方程組就出自其手)
    麥克斯韋的生平極少發生八卦新聞,他的名字也沒有像安培、赫茲、特斯拉一樣,成為物理學單位,這都影響了他在普通人眼裡的知名度。 其實,概括來說,麥克斯韋的最大貢獻,就是共同參與電磁理論的奠基,搞清了光、電、磁的真相,最終幫助人類駕馭了電磁波。
  • 麥克斯韋,到底有多牛?
    1871年,麥克斯韋受聘為劍橋大學首任實驗物理學教授,並負責籌建該校第一所物理學實驗室——卡文迪什實驗室。1874年,卡文迪什實驗室建成後,麥克斯韋擔任實驗室的第一任主任。麥克斯韋的生平極少發生八卦新聞,他的名字也沒有像安培、赫茲、特斯拉一樣,成為物理學單位,這都影響了他在普通人眼裡的知名度。
  • 電磁學 視頻教程 北京大學陳秉乾教授
    電磁學課程包括靜電場、恆磁場、電磁感應、電磁介質、電路、麥克斯韋電磁場理論、電磁波等內容。電磁學中最重要的概念是「場」。場與質點不同,是在空間具有連續分布的客體,它的規律要從總體上去把握。場在空間的分布不一定直接與場源相聯繫,臨近各點之間場的分布也是緊密相關的。描述和處理「場」所需的概念(如通量、環量)和方法與力學、熱學課程中所遇到的大不相同。