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文檔簡介

以數(shù)學(xué)為“利器在科學(xué)史上,一些重大的理論,常常要靠許多人的前赴后繼、不辭勞苦的努力,才能創(chuàng)立起來。19世紀(jì),導(dǎo)致物理學(xué)爆發(fā)一場革命的電磁理論的創(chuàng)立,就是這樣的。從奧斯特、安培發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)開始,經(jīng)過法拉第的奠基,到理論的完成,前后經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)。最后完成這個(gè)理論的人,是英國杰出的數(shù)學(xué)家物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。與眾不同的另類少年1831年11月13日,麥克斯韋出生在蘇格蘭古都愛丁堡。父親是個(gè)熱衷于技術(shù)和建筑設(shè)計(jì)的律師,思想開通,非常能干。家里的大小事情,從修繕房屋、剪裁衣服到制作玩具,他樣樣都會(huì)做。他在愛丁堡附近的鄉(xiāng)下有座莊園,麥克斯韋的童年就是在這座莊園里度過的。這個(gè)孩子從小喜歡思考問題,跟著父母出去玩,一張小嘴總不停地提出各種各樣的問題。沿途所見,從路邊的桑樹、腳下的石塊,直到行人的衣著、表情,都成了他發(fā)問的內(nèi)容,比如“樹木為什么向天上長”呀,“螞蟻會(huì)不會(huì)說話”呀。父親見兒子對(duì)自然感興趣,非常高興,后來就帶他去聽愛丁堡皇家學(xué)會(huì)的科學(xué)講座,當(dāng)時(shí)他的個(gè)頭還沒有講臺(tái)高呢!麥克斯韋童年的歡樂是短暫的。他8歲那年,母親患肺結(jié)核不幸去世。麥克斯韋失去母愛,性情漸漸變得孤僻、內(nèi)向。他最大的快樂,是形影不離地跟著父親走,給父親當(dāng)個(gè)小小的幫手。麥克斯韋10歲那年,進(jìn)了愛丁堡中學(xué)。由于麥克斯韋一直在鄉(xiāng)下生活,講話有很重的鄉(xiāng)土音。每次開口回答問題時(shí),都會(huì)引起哄堂大笑。更糟的是,他的衣服全是父親做的,與眾不同,這些“奇裝異服”讓他成了一只“丑小鴨”,處處被排擠,受譏笑。但是,麥克斯韋照樣穿著父親做的衣服進(jìn)出課堂。他為了保持服裝的整潔,常常要用拳頭自衛(wèi)。誰也沒有想到,到了中年級(jí)的時(shí)候,奇跡出現(xiàn)了。一次,學(xué)校里舉行數(shù)學(xué)和詩歌比賽,評(píng)選揭曉時(shí)爆了個(gè)大冷門:兩個(gè)科目的一等獎(jiǎng)都由同一個(gè)人獲得,他就是麥克斯韋!這不但使全班同學(xué)驚奇得睜大了眼睛,連任課老師也感到意外。他們這才發(fā)現(xiàn),這只灰色的“丑小鴨”原來是一只白天鵝。這次比賽改變了麥克斯韋在班里的地位,同學(xué)們開始尊敬他,向他請教疑難問題。麥克斯韋成為全校拔尖的學(xué)生,獲得了許多獎(jiǎng)勵(lì)。麥克斯韋的才華,使他很快突破了課本的界限。他還沒滿15歲,就寫了一篇數(shù)學(xué)論文,發(fā)表在《愛丁堡皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》上。一個(gè)最高學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的學(xué)報(bào)刊登孩子的論文,是罕見的。論文的題目,是討論二次曲線的幾何作圖。據(jù)說這個(gè)問題,當(dāng)時(shí)只有大數(shù)學(xué)家笛卡爾曾經(jīng)研究過。麥克斯韋不但是個(gè)少年科學(xué)家,而且還是個(gè)小詩人。不過,他從來沒有想過要當(dāng)一個(gè)詩人。他的詩多半是即興的作品,他常常在親友們歡聚時(shí)朗讀自己的詩。麥克斯韋在中學(xué)時(shí)代,還喜歡玩陀螺。據(jù)說他一生都愛玩陀螺,還教他的許多朋友玩過。另外,對(duì)一種叫做活動(dòng)畫筒的玩具,他也有強(qiáng)烈的興趣。麥克斯韋的這兩種愛好,不單純是為了娛樂,主要還是為了探索科學(xué)的道理。這兩種玩具的原理,后來都被他應(yīng)用到科學(xué)上去了。1847年,16歲的麥克斯韋中學(xué)畢業(yè),進(jìn)入愛丁堡大學(xué),專攻數(shù)學(xué)和物理學(xué)。他是班上年紀(jì)最小的學(xué)生,書包里揣著陀螺和詩集,很快引起全班的注意。除了學(xué)習(xí)必修的功課,他還開始自己搞研究,選題范圍涉及光學(xué)、電化學(xué)和分子物理學(xué)三個(gè)領(lǐng)域。這對(duì)鍛煉他獨(dú)立思考的能力起了很好的作用。不久,他在《愛丁堡皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)》上又發(fā)表了兩篇論文。愛丁堡大學(xué)給麥克斯韋留下了良好的回憶。在這里,他獲得了登上科學(xué)舞臺(tái)所必需的基本訓(xùn)練。為了進(jìn)一步深造,1850年他轉(zhuǎn)到劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)。把數(shù)學(xué)作為“武器”劍橋的生活緊張又富有挑戰(zhàn)性。次年,麥克斯韋成為地球物理學(xué)家霍布金斯私人班級(jí)的第15名學(xué)生?;羝战鹚箤W(xué)問淵博,培養(yǎng)出了不少人才,威廉·湯姆生(開爾文勛爵)和數(shù)學(xué)家斯托克斯都是他的門下。霍布金斯把數(shù)學(xué)作為科學(xué)武器的思想也深刻地影響了麥克斯韋,使麥克斯韋在廣闊的物理學(xué)領(lǐng)域找到了數(shù)學(xué)天才的用武之地。4年后,麥克斯韋以優(yōu)異的成績,獲得了第一個(gè)學(xué)位。1855年,麥克斯韋從劍橋大學(xué)畢業(yè)后,留校成為三一學(xué)院的研究員。他把數(shù)學(xué)運(yùn)用于物理學(xué),專心致志地研究理論力學(xué)和應(yīng)用力學(xué)、光學(xué)、有色視覺生理學(xué)。他出色地揭開了土星光環(huán)之謎,用數(shù)學(xué)方法論證了光環(huán)是由無數(shù)單個(gè)微粒構(gòu)成的小行星帶。在1859年9月21日的不列顛促進(jìn)科學(xué)進(jìn)步協(xié)會(huì)上,麥克斯韋做了題為《關(guān)于氣體動(dòng)力理論的說明》的報(bào)告,提出了著名的分子運(yùn)動(dòng)速度分布律,糾正了前輩學(xué)者在這方面的錯(cuò)誤。伯努利和克勞修斯曾認(rèn)為,在一定溫度下的氣體,所有分子的“平方”速度都是相同的。但麥克斯韋得出結(jié)論說:“微粒運(yùn)動(dòng)速度分布律與‘最小二乘法’理論的觀察誤差律相同,即符合高斯的統(tǒng)計(jì)學(xué)?!边@個(gè)報(bào)告初次把統(tǒng)計(jì)學(xué)用于描述物理現(xiàn)象,標(biāo)志著新的科學(xué)發(fā)展時(shí)期的來臨。麥克斯韋決定用數(shù)學(xué)方法研究法拉第的數(shù)學(xué)假設(shè),彌補(bǔ)法拉第電磁學(xué)說在表述方面的弱點(diǎn)。他效法法拉第設(shè)計(jì)了力線的流體動(dòng)力模型,廣泛應(yīng)用力學(xué)類比,把法拉第關(guān)于力線的思想表述為一個(gè)矢量微分方程,為確立力線在物理學(xué)中的地位起了十分重要的作用。這一階段的研究成果反映在他的《論法拉第的力線》一文中。1860年,麥克斯韋特意去拜訪了他崇拜已久的實(shí)驗(yàn)大師法拉第?!斑@是一篇出色的論文。”法拉第指著《論法拉第的力線》說,“但是,你不應(yīng)該停留在用數(shù)學(xué)來解釋我的觀點(diǎn),你應(yīng)該突破它!”法拉第的話像一盞明燈,照亮了青年物理學(xué)家麥克斯韋前進(jìn)的道路。他馬上用最大的熱情投入新的戰(zhàn)斗。麥克斯韋設(shè)計(jì)了一個(gè)法拉第力線研究理論模型,從力線學(xué)說研究入手,深入探究“場”的理論。他從變化著的“場”產(chǎn)生另一個(gè)“場”的事實(shí)中推斷出,變化的電場在其附近產(chǎn)生一個(gè)磁場,這個(gè)變化的磁場又在稍遠(yuǎn)一點(diǎn)產(chǎn)生電場,如此繼續(xù)下去,就得到一個(gè)電磁的振蕩著的“場”,不斷地向空間擴(kuò)展,這就是電磁波。麥克斯韋還應(yīng)用應(yīng)力、變形、壓力、渦動(dòng)及其他概念,得。出了當(dāng)時(shí)尚未成體系的方程式,并且在觀察電解質(zhì)中的電現(xiàn)象時(shí)提出了關(guān)于位移電流的著名假設(shè),于1862年發(fā)表了第二篇電磁論文《論物理的力線》,從理論上預(yù)見了電磁波的存在。1864年,麥克斯韋出版了《電磁場的動(dòng)力學(xué)理論》一書,把電磁場明確地定義為是一種物質(zhì),并運(yùn)用矢量分析和微分方法,把它的全部表現(xiàn)形態(tài)用20個(gè)帶可變數(shù)的方程式表述出來。后來,科學(xué)家用這些方程式建立了精密的麥克斯韋方程組。通過方程組,可導(dǎo)出一系列不同波長和頻率的電磁波,并由于波長的量變引起了波特性和功能的質(zhì)變。諸如在這之前就已發(fā)現(xiàn)的紅外線、可見光、紫外線,在這以后陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)的射線、微波和超短波、中波、長波等無線電波,都屬于電磁波,都可以從這組奇妙的方程中找到各自的位置。正因?yàn)槿绱耍?864年被確定為電磁場理論的誕生年。由于健康情況惡化,麥克斯韋決定停止教學(xué)并離開倫敦。從1865年起,他埋頭自己的莊園,用了整整7年時(shí)間寫成后來成為新學(xué)說“圣書”的兩卷本《電磁學(xué)通論》,它與牛頓的《數(shù)學(xué)原理》及達(dá)爾文的《物種起源》相比毫不遜色。但是,電磁理論問世以后,在相當(dāng)長的時(shí)間里沒有得到承認(rèn)。包括一批有威望的科學(xué)家,對(duì)還沒有被證明的新理論,都采取觀望態(tài)度。勞厄在《物理學(xué)史》中曾經(jīng)這樣評(píng)論說:“盡管麥克斯韋理論具有內(nèi)在的完美性,并且和一切經(jīng)驗(yàn)相符合,但是只能逐漸地被物理學(xué)家們接受。它的思想太不平常了,甚至像赫爾姆霍茨和波爾茨曼這樣有異常才能的人,為了理解它也花了幾年的力氣?!眲?chuàng)建卡文迪許實(shí)驗(yàn)室1871年,劍橋大學(xué)誠邀麥克斯韋到實(shí)驗(yàn)物理教研室任教,為教研室籌建卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)初培養(yǎng)了大批核物理學(xué)方面的優(yōu)秀人才。即使在20世紀(jì)80年代以來,這個(gè)實(shí)驗(yàn)室仍處于物理科研前列,完成了一系列晶體物理成分和蛋白質(zhì)物理成分的探索工作,取得了顯著的成就。籌建卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的工作繁重而瑣碎,麥克斯韋常被搞得身心交瘁。1879年11月5日,正處生命和學(xué)術(shù)英年的麥克斯韋撇下

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