麥克斯韋:沒有他,現代文明也就不復存在,一位劃時代的科學家

2020-12-06 胖福的小木屋

1831年,這是一個人類歷史上都值得永遠銘記的時刻,法拉第在這一年發現了電磁感應理論,這個理論標誌著一場重大的工業和技術革命的到來,人類由蒸汽時代正式向電氣化時代邁進,歷史似乎早已冥冥之中註定,在這一年,另外一個帶領大家走出電氣化時代走向現代文明的人降生了!他的名字叫做麥克斯韋。

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1831年6月13日,在英格蘭的一座海濱小城愛丁堡,一個小男孩呱呱墜地,這個小男孩的降生給家裡帶來了無限的喜悅,他的父親約翰先生給這個孩子取名叫麥克斯韋,約翰先生是蘇格蘭的名門望族,是一位學者,從事律師工作,他的母親弗朗西斯凱也是著名的大家閨秀。

約翰先生雖然從事律師工作,可是對科學研究卻情有獨鍾,他經常把自己的知識運用到自己的日常生活,大到房屋修建小到孩子的玩具,他都要自己親自動手。喜歡科學研究的約翰先生還是愛丁堡皇家學會的會員,約翰先生的求索精神也影響到了自己的孩子麥克斯韋。

麥克斯韋自小就對任何事物好奇,有一天,麥克斯韋的姨媽給他帶來一籃蘋果。這個對什麼事情都充滿疑問的小傢伙纏住她問:「蘋果為什麼是紅的?」姨媽被這個突然的問題難住了,一時不知道怎樣回答才好。為了擺脫窘境,她就叫麥克斯韋去吹肥皂泡玩,誰知道個主意更糟了。肥皂泡在陽光下呈現出美麗的五顏六色,結果麥克斯韋向姨媽提出了更多的關於顏色的問題。

約翰先生看見了,對兒子的求索精神非常高興,就帶他去聽愛丁堡皇家學會的科學講座!約翰先生是皇家學會的活躍分子,兒子跟隨他經常出入科學界,受到不少薰陶。

然而好景不長,麥克斯韋的母親染上了肺結核,在他八歲的時候的離他而去。讓麥克斯韋的個性變得相當孤僻,再加上麥克斯韋喜歡探索研究,自顧自思考的個性,同學都慢慢遠離他。

童年時期的麥克斯韋,可以說父親是他唯一的依靠和精神寄託!

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經常出入愛丁堡皇家學會的麥克斯韋自小就對科學有了不少的認識,1846年,不滿15歲的麥克斯韋在《愛丁堡皇家學會學報》上發表了自己生平的第一篇數學論文。

這次的經歷給予了麥克斯韋非常大的鼓舞,16歲的他就因為聰明好學,從中學畢業來到了愛丁堡大學。開啟了自己光輝的傳奇人生。

麥克斯韋因為孤僻的性格,除了沉迷於科學研究,還喜歡通過寫詩來抒發自己的感情,而在愛丁堡大學期間,他也同意遇到了自己人生的伯樂。

就像我在以前的論文中說過的一樣,一個天才除了與生俱來的天賦還需要擁有伯樂的賞識,如高斯、歐拉、牛頓皆都是如此,而無伯樂賞識,就容易懷才不遇,伽羅瓦、阿貝爾皆是如此。

在愛丁堡大學期間,他的物理學教授福布斯對麥克斯韋青睞有加,他培養了麥克斯韋對實驗技術的濃厚興趣,他還強制要求麥克斯韋寫作要表達清楚,這樣才能在從事理論物理研究的時候用精準的語言表述出來。

他還把自己的實驗室給麥克斯韋使用,18歲的麥克斯韋就這樣在福布斯的實驗室裡開始了自己的色彩混合實驗。去印證自己童年時候的疑問。

而另外一個就是哲學邏輯學教授哈密頓,知識廣博的他喜歡提出與眾不同的觀點,來啟發他人思考,麥克斯韋在哈密頓的影響下,喚起了麥克斯韋對科學一些基本知識的注意。

在良師的幫助以及個人的努力下,麥克斯韋僅用了三年完成了自己大學的學業。

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而為了獲取更加深入系統的學習,他來到了物理學的殿堂劍橋大學三一學院。這裡誕生了許多在時代中具有重大影響的科學家。

而在這裡,他開始正式研究法拉第的《電學的實驗研究》,18世紀五十年代,電學的研究主要進入了兩個階段,一是韋伯在牛頓的「超距作用」的傳統觀念基礎下所做的綜合二就是法拉第的力線學說。

可惜法拉第的數學水平不高,都是使用的直觀的形式來表達,而並非嚴謹的邏輯論證。所以微博的學說大行其道!

麥克斯韋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。

在經過十幾年的研究之後,1873年麥克斯韋於1873年出版了科學名著《電磁理論》。系統、全面、完美地闡述了電磁場理論。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。可以說,沒有電磁學就沒有現代電工學,也就不可能有現代文明。

麥克斯韋僅僅用列出的簡短四元方程組,就可以準確地描繪出電磁場的特性及其相互作用的關係。這樣他就把混亂紛紜的現象歸納成為一種統一完整的學說。麥克斯韋方程在理論和應用科學上都已經廣泛應用一個世紀。

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然而,在當時,麥克斯韋卻的學說卻並沒有得到承認,正如當初大家把亞里斯多德的著作奉為神典永無錯漏一般,18世紀的科學家也將牛頓奉為神明。

在當時的德國,人們依然固守著牛頓的傳統物理學觀念,法拉第、麥克斯韋的理論對物質世界進行了嶄新的描繪,但是違背了傳統,因此在德國等歐洲中心地帶毫無立足之地,甚而被當成奇談怪論。

英國皇家天文學家喬治·艾裡甚至嘲諷道:「我難以想像任何人···在簡單明了的牛頓式作用與其他任何像力線一樣模糊的作用之間做出選擇時會有片刻猶豫······」

當時支持電磁理論研究的,只有波爾茨曼和赫爾姆霍茨。赫茲後來成了赫姆霍茨的學生。

直到後來,赫茲經過反覆實驗,發明了一種電波環,用這種電波環作了一系列的實驗,終於在1888年發現了人們懷疑和期待已久的電磁波。

赫茲的實驗公布後,轟動了全世界的科學界,由法拉第開創、麥克斯韋總結的電磁理論,至此取得了決定性的勝利。

赫茲實驗裝置

物理學歷史上認為牛頓的經典力學打開了機械時代的大門,而麥克斯韋電磁學理論則為電氣時代邁向現代文明奠定了基石。

直至今日,我們依然在享受麥克斯韋留下的科學遺產。

在當時,麥克斯韋為了推廣自己的電磁學理論,1879年是麥克斯韋生命的最後一年。這他的健康明顯惡化,但是他依然拖著殘弱的病軀堅持不懈地宣傳電磁理論。

而他的講座卻只有兩個聽眾。一個是美國來的研究生,另一個就是後來發明電子管的弗萊明。但他依然非常用心認真地和聽眾講解著自己的理論。11月5日,麥克斯韋因病在劍橋逝世,年僅48歲。

1879年是麥克斯韋逝世的一年,又是愛因斯坦誕生的一年。愛因斯狹義相對論的建立,基於麥克斯韋的電磁場理論(根據光速不變性和真空中麥克斯韋方程)。

麥克斯韋方程組

麥克斯韋生前沒有享受到他應得的榮譽,因為他的科學思想和科學方法的重要意義直到20世紀科學革命來臨時才充分體現出來。然而他沒能看到科學革命的發生。

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麥克斯韋是一個非常溫柔善良且真誠的人,無論是在為人還是科研都可以說的上完美。

1856年,麥克斯韋正全力攻破電磁理論,這時傳來了父親病重的消息,他毅然決然辭去了自己的工作回到了家鄉照顧自己的父親。

他也很愛自己的妻子,他和自己的妻子是姐弟戀,他的妻子比他大八歲。他還用詩歌表達自己對妻子無限的感情!

你和我將長相廝守在生機盎然的春潮裡,我的神靈已經穿越如此廣闊的寰宇?我這就將我的整個生命導入這生機盎然的春潮,將真正使三個自我穿越這世界的廣袤

而麥克斯韋的妻子也特別體貼,因為丈夫很尊敬她,總會把自己的研究成果拿給她看,她也就很情願地做起了丈夫的助手,常常給他當助手,生火爐,調節室內溫度,還幫他計算數據。麥克斯韋研究的是電磁學,他通過周密計算,得出了電流的速度,而這個速度竟然和光速很接近,也就是說,光就是一種電磁波。麥克斯韋為自己的發現激動得幾天幾夜睡不著覺,老婆不忍心,就幫他對數據仔細進行核對,然後拍著麥克斯韋的肩膀說:「你的計算是正確的。」著名的麥克斯韋方程就這樣誕生了。

然而後來妻子又久病不愈,麥克斯韋對妻子一向體貼入微,為了看護妻子,他曾經整整三個星期沒有在床上睡過覺。儘管這樣,他的講演,他的實驗室工作,卻從來沒有中斷過。因為無人理解他的理論帶來的過分的焦慮和勞累,終於損害了他的健康。最終導致了他的英年早逝。

不過除了電磁學理論,麥克斯韋另外一項最大的貢獻就是籌建了卡文迪許實驗室,麥克斯韋擔任了卡文迪許實驗室的第一任實驗室主任,這是近代科學史上第一個社會化和專業化的科學實驗室,催生了大量足以影響人類進步的重要科學成果,直到如今,他依然存在。從1904年至1989年的85年間一共產生了29位諾貝爾獎得主,其科研效率之驚人,成果之豐碩,舉世無雙。在鼎盛時期甚至獲譽「全世界二分之一的物理學發現都來自卡文迪許實驗室。」

麥克斯韋是一個偉大的人,同時也是一個可愛的人,他是一個願意真誠地給朋友死去的小狗寫弔唁信的人,一個先後耐心護理自己垂死的父親和妻子的人,並且經常犧牲自己的時間到為手藝人開設的新型「工人大學」裡當志願者,你怎麼會不喜歡這樣一個人呢?正如他兒時的朋友和傳記作者劉易斯·坎貝爾所言:他儘管有點古怪,但善良慷慨,是「曾經活過的最棒的人之一」。

今年是麥克斯韋逝世140周年,讓我們一起悼念這樣的偉人。

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