如果只能选择一个的话,那就是:
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (GC)
他的伟大可以从五个方面来看。
纯理论结果
麦克斯韦方程组统一了电、磁和光!
(我要强调的是,麦克斯韦方程组统一的不是电和磁,而是电、磁和光,光学的本质是电磁!)
从上到下:高斯定理、磁通连续性原理、电磁感应定律、总电流定律
这是人类征服四种基本相互作用——征服电磁相互作用的首次胜利!
它也是世界上第一个规范场论——是的,早在外尔创立规范场论的几十年前,麦克斯韦就已经建立了世界上第一个规范场论!
有人说麦克斯韦只是总结了前人的成果,那些公式都是用别人的名字命名的。
这种说法纯粹是无知的表现,满电流定律又称为麦克斯韦第一方程,电磁感应定律又称为麦克斯韦第二方程。
对于那些没有听说过这句话的人,我只能用四个字来形容他们:无知。
也有人说麦克斯韦仅仅增加了位移电流,他的贡献并不大。
这种说法纯粹是狭隘的世界观的体现最早的物理学家,麦克斯韦还提出涡旋电场,电势代表电磁场的能量,磁矢势代表电磁场的动量,……
在麦克斯韦之前,电磁学只能处理静态电磁场;麦克斯韦之后,电磁学可以处理动态电磁场。
涡旋电场与位移电流对于整个电磁学的贡献,可以说是由衰变到魔法,将一套散乱的公式变成了规范场论。
对于那些质疑麦克斯韦对电磁学的贡献的人,我只能送给他们四个字:坐在井里看天空。
提醒一下,麦克斯韦不仅是电磁学之王,他也是统计力学的创始人之一,他凭借麦克斯韦速率分布定律在统计力学中占有一席之地。
而且,为了反驳热力学第二定律造成的“热寂说”,麦克斯韦还认识到自然界存在着一种抵消熵增的能量控制机制,但他无法清楚地解释这种机制,于是便释放出了“物理学四大怪兽”之一的麦克斯韦妖。
麦克斯韦妖:能把随机热运动的粒子按照一定的顺序和规则分布到一定的相格中。
提醒一下,麦克斯韦妖不是骗局,它是耗散结构的原型。它是一种称为“信息-热机制”的新机制,这意味着它可以使用信息作为媒介来转换能量。
(细胞是耗散结构的一个例子。)
此外,麦克斯韦还计算出土星环是由固体流体和大量彼此并不密集的物质构成,而不是质量分布不规则的固体环。
理论成果对后世的影响
如果理论物理学有灵丹妙药的话,那一定是:
麦克斯韦方程组!
(麦克斯韦方程组出现的次数如此之多,因此其“万能药”的美誉是当之无愧的。)
狭义相对论应该把麦克斯韦方程组称为“父亲”,说白了,狭义相对论就是用来帮助麦克斯韦方程组处理伽利略变换的。
规范场论又称麦克斯韦方程组为“父亲”物理资源网,杨-米尔斯方程组就是在麦克斯韦方程组基础上建立的。
麦克斯韦方程组属于U(1)群,而杨-米尔斯方程组将其推广到SU(2)、SU(3)、……群。
而且,麦克斯韦方程组不仅是万能的,而且是常青树。
古典物理学有三大支柱:经典力学、经典电动力学、热力学和统计力学。
经典力学经过狭义相对论的修正,成为狭义相对论的近似理论;量子力学建立之后,热力学和统计力学也成为量子统计学的近似理论。
即使是20世纪建立的量子力学,也经过了完善并与狭义相对论相结合。
(量子电动力学是非相对论量子力学的细化,而不是麦克斯韦方程的细化。)
麦克斯韦方程组保持不变。
以上只是麦克斯韦方程组后来产生的一些影响。
此外,麦克斯韦关于电势代表电磁场能量、磁矢势代表电磁场动量的观点,也在量子力学中发挥了重要作用。(过去常写哈密顿量)
当海维赛德和吉布斯用矢量分析表达麦克斯韦方程组时,他们把电势和磁矢势抛在了脑后,没有意识到它们的价值。直到量子力学建立之后,物理学家们才重新发现了电势和磁矢势的意义。
(麦克斯韦去世几十年后,他仍在教导物理学家如何做事。)
技术应用
这是很重要的因素,不提技术应用的话,很多物理学家都能排在麦克斯韦前面。
说到技术的应用,无疑是第一。
第二次工业革命和第三次技术革命都依赖于麦克斯韦方程。
(甚至电力系统也依赖麦克斯韦方程来分析波过程。)
Wi-Fi、云计算、物联网、无人机、自动驾驶、雷达……无论你现在读到什么头条新闻,它们都是关于电磁波和麦克斯韦方程的。
甚至可以说,现代文明是建立在麦克斯韦方程之上的。
这并不是夸张,信息技术确实很大程度上依赖于麦克斯韦方程。
在经典力学建立之前,已经有各种机器、建筑物;在热力学建立之前,已经有蒸汽机。
但在麦克斯韦方程组建立之前,根本就不存在无线电技术,甚至连收音机都没有。
此外,麦克斯韦也是第一位研究速度调节器稳定性问题的物理学家。
1868年,麦克斯韦发表《论调节器》,表达了比例积分控制器的基本思想。
首次用微分方程描述速度调节器的运动状态,推导了调节器的微分方程,并在平衡点附近进行了线性化,指出其稳定性取决于特征方程根是否具有负实部。
(工程专业的学生应该熟悉这些操作。)
在论文中,麦克斯韦还研究了用三阶微分方程描述的特殊系统和用五阶微分方程描述的特殊系统,并给出了系统的稳定性条件。
(高阶系统的稳定性准则是劳斯准则,工科专业的学生都应该了解。)
麦克斯韦在自动控制领域也能占据一席之地。
实验物理学
1871年,麦克斯韦创立了卡文迪什实验室。
在那里,电子、中子、原子核的结构、DNA的双螺旋结构等被发现。
卡文迪什实验室对整个实验物理学的发展有着极其重要的影响最早的物理学家,许多著名的科学家都曾在此工作,甚至被誉为“诺贝尔物理学奖得主的摇篮”。
卡文迪什实验室
作为实验室的首任主任,麦克斯韦在1871年的就职演说中对实验室未来的教学方针和研究精神作了精辟的阐述,这是一次科学史上具有重大意义的演讲。
他说:“这些实验的教育价值往往与仪器的复杂程度成反比。学生从自制仪器中学到的东西会比从精心调校的仪器中学到的东西更多,即使它们经常出故障。学生更容易依赖精心调校的仪器,而不敢把它们拆成零件。”从那时起,使用自制仪器就成了卡文迪什实验室的一个传统。
麦克斯韦的主要领域是理论物理,但他清楚地知道实验占主导地位的时代尚未结束。
他还批判了当时英国传统的“粉笔式”物理学,呼吁加强实验物理学的研究及其在大学教育中的作用,为后人树立实验科学精神。
此外,还有麦克斯韦摆来演示机械能守恒。
挑剔的宝石眼光
麦克斯韦曾把傅立叶的《热的解析理论》称为“伟大的数学史诗”。
事实也确实如此,傅里叶把物理问题表述为线性偏微分方程的边值问题,使得分析力学超出了牛顿在《自然哲学的数学原理》中所定义的范围。
亨利·卡文迪什(他不仅测量了万有引力常数,还被称为“化学界的牛顿”)去世后,他的手稿留在书柜里长达70年。
麦克斯韦发现并整理了他的实验论文,并于1879年出版了《卡文迪什的电学研究》一书,人们才知道卡文迪什曾经做过许多电学实验。
麦克斯韦说道:“这些论文证明卡文迪什预见了电学领域的几乎所有重大事实,而这些事实后来通过库仑和法国哲学家的著作在科学界闻名。”
约西亚·维拉德·吉布斯性格孤僻、深思熟虑,是现实社会中几乎不存在的边缘人物。
他用九年时间出版了三部热力学经典著作,并寄给全世界147位物理学家和数学家,征求他们的意见。
几乎没有人能理解他的理论,也不知道吉布斯是谁。
然而麦克斯韦不仅阅读了吉布斯的文章,而且对其深表赞赏,于是他打了个电话:
这个人对于“热”的解释,已经超越了所有德国科学家的研究。
众人这才反应过来是怎么回事,又回头从纸屑堆里找出那三篇文章,仔细的读了起来。
麦克斯韦对吉布斯的立体图构想也很受感动,亲手制作了一个石膏模型寄给了吉布斯。
什么叫用智慧认珠呢?这就叫用智慧认珠。
星辰陨落
麦克斯韦在生前并没有享受到他应得的荣誉,因为他的科学思想和科学方法的重要性直到20世纪的科学革命才得到充分体现,但他却没有在有生之年看到科学革命的发生。
1879年11月5日,麦克斯韦在剑桥病逝,享年48岁。