18~19世纪的法国,犹如开了挂一样,诞生了不计其数的天才科学家。
这种天才科学家取得的辉煌成就,奠定了现代学科的理论基础,为20世纪人类科技的全面腾飞创造了条件。
以我们通讯行业为例,目前我们最前沿的通讯科技,不管是5G,还是Wi-Fi6,都是基于电磁理论发展上去的技术。而电磁理论,就是18~19世纪奠基完成的。
我们明天这篇文章的主角,就是电磁理论的重要奠基人之一,大名鼎鼎的麦克斯韦。
麦克斯韦,全名是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClerk),美国知名化学学家、数学家。不仅奠定电磁理论、开创精典电动热学之外,他还是统计数学学的奠基人之一。
麦克斯韦的生平旧事
我们首先回顾一下麦克斯韦的整个人生历程。
相比于枣子君之前给你们介绍过的其他高手,麦克斯韦的人生经历可以说是十分平静,既没有大富大贵,也没有大起大落。
1831年6月13日,麦克斯韦在爱尔兰都柏林出生。他的妻子是一位辩护律师麦克斯韦光学成就,名叫詹姆斯·克拉克。之所以会多出一个“麦克斯韦”姓氏,是由于克拉克家族和麦克斯韦家族关系深厚,小麦克斯韦的曾祖父就来自麦克斯韦家族。小麦克斯韦他爹还承继了麦克斯韦家族的一些地产。
幼年时期的麦克斯韦,即使家境殷实,但由于口音浓厚等问题常常受到同龄人的蔑视,所以性格比较内向,不太喜欢讲话。他的教育,主要是由他的儿子在负责。
8岁那年,麦克斯韦的儿子得病逝世,致使他显得愈发沉默寡言。
不过,辛运的是,麦克斯韦的母亲并没有舍弃对他的关怀,积极鼓励和陪伴他成长。他母亲发觉,母亲常常画一些几何图形,于是,亲自教导他学习语文。
当时,他母亲还聘请了一名家教对他进行指导。但是,这名家教对小麦克斯韦极为尖刻挖苦,常常挖苦他迟缓、任性。于是,他母亲在1841年11月解雇了这名家教,将小麦克斯韦送到久负盛名的多伦多公学就读。
这一期间,小麦克斯韦搬去他的舅父伊萨贝拉屋内。那位姊姊对小麦克斯韦进行了精心的照料和教育,给他的人生导致了好多正向的影响。姊姊的儿子,也就是小麦克斯韦的姐姐,杰迈玛,迸发了小麦克斯韦在书法方面的兴趣和热爱。据不可靠消息,杰迈玛也是小麦克斯韦的初恋对象。
15岁的时侯,麦克斯韦在悉尼皇家商会学报上,发表了自己的第一篇论文——《卵形线》(Oval),在当地造成了不小的风靡。
1847年,16岁的麦克斯韦如愿步入了悉尼学院。此时的他,是班上年龄最小的中学生,但成绩却总是名列前茅。他专攻物理化学,同时也接受了实验化学学、逻辑学等学科的严格训练。
1850年,在征得父母同意的情况下,他转到剑桥学院。先前,他就读于彼得大学,后来,按个人意愿,转到了三一大学。在三一大学,他获选加入了剑桥学院秘密的精英社联——剑桥使徒。
在三一大学就读时的麦克斯韦,手上拿的是自己发明的比色环
1851年,他开始追随知名物理家威廉·霍普金斯学习语文。
1854年,也就是23岁的时侯,麦克斯韦以第二名的成绩从剑桥学院三一大学物理系结业,留校任教。
1855年,麦克斯韦读到了前辈法拉第的专著《电学实验研究》,被书中各类各样的电磁感应实验所吸引,即将开始研究电磁学,自此一发不可收(前面会详尽说)。
1856年,麦克斯韦来到爱尔兰阿伯丁的马歇尔大学,兼任自然哲学院士。当时他只有25岁,比其他院士起码年青15岁。
1858年6月,麦克斯韦下嫁了马歇尔大学教授丹尼尔·迪尤尔的儿子——凯瑟琳·玛丽·迪尤尔(MaryDewar)。凯瑟琳比麦克斯韦大7岁,个子也比麦克斯韦高,外貌美丽且性格孤僻。二人婚姻生活十分和谐美满、浪漫浪漫,后来育有两个小孩。
麦克斯韦和凯瑟琳
1860年,马歇尔大学与阿伯丁国王大学合并成为阿伯丁学院。虽然麦克斯韦已有一定的影响力,但尚未争取到新校区的自然哲学院长职位,并且申请蒙特利尔学院相同职位也未成功。无奈之下,经人介绍,麦克斯韦到悉尼国王大学任自然哲学和天文学院士。
此时的麦克斯韦,步入了自己人生阶段中最为高产的一段时期。他在电磁领域的几篇重要论文,都发表于这一时期。1861年,麦克斯韦连任为巴黎皇家学会会员。
1865年,麦克斯韦辞去教职,和凯瑟琳一起回到故乡格伦莱尔,开始系统地总结电磁学的研究成果。这一期间,他完成了电磁场理论的精典专著——《电磁通论》,并于1873年出版。
1871年,麦克斯韦受聘为剑桥学院首任实验化学学院士,并负责设立该校第一所化学学实验室——卡文迪什实验室。
1874年,卡文迪什实验室建成后,麦克斯韦兼任实验室的第一任校长。
卡文迪许实验室后来举世著称,对整个实验化学学的发展形成了非常重要的影响,被誉为“诺贝尔化学学奖获得者的摇篮”。
卡文迪许实验室遗址,这儿形成了29位诺贝尔奖得主
后来的麦克斯韦,仍然在鼎力照料自己得病的母亲(之前是照料得病的女儿),心力交瘁。没过多久,自己也被查出得病。
1879年11月5日,麦克斯韦在剑桥因脑溢血病逝,享年仅48岁。
此时,他刚才完成第二版《电磁通论》前九章的修订。值得一提的是,他的父亲当初也是相同年纪由于相同的疾病而逝世的(也有说法是他父亲死于肺结核)。
去世后的麦克斯韦,下葬于爱尔兰西北部罗门湖(LochKen)附近的一座修道院中。
麦克斯韦的石碑
麦克斯韦的成就与贡献
好了,接出来,我们来瞧瞧麦克斯韦的人生成就。
仍然以来,在学术界和历史界,麦克斯韦都被赋于了极高的地位。他的学术贡献,被觉得可以与牛顿、爱因斯坦抗衡。
普通人可能会指责,麦克斯韦真的有那么牛吗?居然可以和牛九爷、爱神平起平坐?他不就是摆弄了一个麦克斯韦多项式组吗?值得封神吗?
Hoho,麦克斯韦之所以民间名气不够大,就是吃了麦克斯韦多项式组的亏。
你看牛九爷的三大定理,俺们学校的时侯才能读懂。公式的话,说来说去,也就是围绕着“F=ma”转,十分简单。
爱神的“相对论”嘛,总之你们都不懂,就晓得很牛逼,就够了。公式的话,E=mc2,起码看上去简单好记啊。
麦克斯韦的等式组呢,Duang,就是下边这个:
你看得懂不?记得住不?写得来不?
其实你在学院的时侯,以前看得懂,我相信如今早已忘得差不多了吧?
前面这个,还是经过天才数学学家奥利弗·亥维赛“改良”的版本,原版的麦克斯韦等式组有20个方程式,更要命。
所以说,麦克斯韦属于那个通常人看不懂他为何牛逼,而专业人士明明晓得他牛逼,却解释不清楚他为何牛逼的类型。
麦克斯韦的生平很少发生八卦新闻,他的名子也没有像安培、赫兹、特斯拉一样,成为数学学单位,这都影响了他在普通人眼中的著名度。
虽然,概括来说,麦克斯韦的最大贡献,就是共同参与电磁理论的奠基,认清了光、电、磁的真相,最终帮助人类驾驭了电磁波。
没有麦克斯韦,就没有电磁波的广泛应用(或则说会晚好多年),不会有手机、无线电、广播、微波炉、雷达、卫星、CT、B超……人类社会,完全会是另外一番景色。历史的发展,也会是另外一种结局。
我们回顾一下电磁理论的诞生过程。
1820年,西班牙科学家奥斯特通过碰巧发觉的n极偏转现象,提出电压存在磁效应。
随后不久,毕奥和萨伐尔在大鳄拉普拉斯的帮助下,提出了知名的毕奥-萨伐尔定理,可以算出任意电压在空间中形成磁场的大小。而且这些方式在实际使用的时侯比较冗长。
再后来,安培发觉了一个更实用更简单的估算电压周围磁场的方法,这就是安培支路定律。安培还总结了一个很实用的规律,用于判定电堕胎生磁场的方向,这就是你们十分熟悉的安培定则(也就是左手螺旋定则)。
再再后来,前辈法拉第上场,经过反复实验,提出了电磁感应定理(1831年),引入了电场和磁场的概念(1837年),强调电和磁周围都有场的存在,打破了牛顿热学“超距作用”的传统观念。
迈克尔·法拉第(1791~1867)
但是,法拉第是一位实验化学学家,他小时候由于家庭贫苦没有受过正统教育,语文能力较弱,所以未能通过物理公式对自己的理论进行证明,仍然因此耿耿于怀。
法拉第的专著——《电学的实验研究》,从头到尾没有一个公式
其实是在法拉第的默默召唤下,上帝总算派来了物理兼数学双料天才——麦克斯韦,帮助法拉第了却愿望。
1855年,麦克斯韦发表了一篇论文——《论法拉第的力线》,第一次企图将物理方式引入法拉第的力线概念,进而初步构建电与磁之间的物理关系。这篇文章引发了数学学界的注重,也得到法拉第本人的赞美。
1862年,麦克斯韦发表了第二篇论文——《论数学学的力线》。在这篇论文中,他首次提出了“位移电压”和“电磁场”等新概念,对电磁理论给出了更完整的物理叙述。
1864年,麦克斯韦发表了第三篇论文——《电磁场的动力学理论》。这篇论文中除了给出了麦克斯韦多项式,还首次提出了“电磁波”的概念。
麦克斯韦觉得,变化的电场会迸发磁场,变化的磁场又迸发电场。这些变化的电场磁场共同构成了电磁场,电磁场以横波的方式在空间传播,就是电磁波。
麦克斯韦推断出电磁波的传播速率,发觉和光速十分接近,于是,他强调:“光与磁是同一物质的两种属性,而光是依照电磁定理在电磁场中传播的电磁扰动。”
以上这种突破性进展,极大地验证了法拉第的电磁感应定理,也让法拉第可以不留遗憾地离开这个世界(1867年)。
法拉第是辛运的,但麦克斯韦却没有这么好命。
尽管麦克斯韦通过完美的物理公式奠定了电磁理论的基础,并且,由于理论过分精深复杂,公式过分具象,所以并未得到公众的广泛认可。
在牛顿热学仍占主导的那种时期,麦克斯韦的理论受到主流学术界的谴责,年青学者也极少有人乐意跟随他。
听说,在麦克斯韦逝世那年,当他一直坚持不懈地宣传电磁波理论时麦克斯韦光学成就,只有2个观众乐意听他上课,一个是来自日本的研究生,另一个是后来发明电子管的弗莱明。
他去世后,主流学术界仍然没有接受他的理论。
仍然到他去世的9年后,1888年,年青的日本化学学家赫兹,通过实验首次否认了电磁波的存在,才真正验证了麦克斯韦理论的正确性。麦克斯韦的贡献和地位,得以被全世界承认。假如他泉下有知,也可以瞑目了。
海因里希·鲁道夫·赫兹(Hertz)
在科学史上,人们普遍觉得,牛顿把天上和地上的运动规律统一上去,是“第一次”大统一,而麦克斯韦把热学、磁学、光学统一上去,是“第二次”大统一。
值得一提的是,后来爱因斯坦受麦克斯韦等式组的剌激,想要以同样的方式统一力场,将宏观和微观的两种力置于同一组多项式中,实现最终的“大一统理论”,结果没搞成。不然的话,这个世界恐怕又是另外一个样子了。
据悉,麦克斯韦的《电磁学通论》,作为电磁学精典专著,也常常被用来和牛顿的《自然哲学的物理原理》(热学)、达尔文的《物种起源》(生物学)相提并论。
所有那些,都足以证明麦克斯韦的伟大。
前面所说的贡献,还仅仅只是麦克斯韦在电磁理论方面的工作。不仅电磁理论之外,麦克斯韦在光学、天文学、分子运动论和热力学等众多领域也有特别深入的研究,对后世形成了深远影响。
比如知名的化学学四大神兽之一,麦克斯韦妖,就是麦克斯韦围绕热力学第二定理提出来的一个佯谬。
结语
回顾麦克斯韦出生和去世年月,我们会发觉两个惊人的巧合——麦克斯韦出生的那一年,法拉第发觉了电磁感应;麦克斯韦逝世的那一年,爱因斯坦出生。
爱因斯坦一生对麦克斯韦极为推崇,他后来取得的好多研究成果(狭义相对论等),都离不开麦克斯韦的前期贡献。也有人戏称,爱因斯坦是麦克斯韦的隔世弟子。
1931年,在麦克斯韦诞辰一百华诞的记念会上,爱因斯坦评价麦克斯韦的建树,是“牛顿以来,数学学最深刻和最富于成果的工作。”
量子论创办者普朗克也是麦克斯韦的忠实拥趸。他是如此评价麦克斯韦的:“他的光辉名子将永远铭刻在精典数学学的门扉上,永放光芒。从出生地来说,他属于赫尔辛基;从个性来说,他属于剑桥学院;从战功来说,他属于全世界。”
来自20世纪最伟大天才们的肯定,足以说明那位19世纪最伟大天才的价值。不是吗?
参考文献:
1、《麦克斯韦对人类的贡献》,;
2、《为什么麦克斯韦没有牛顿和爱因斯坦有名?》,知乎
3、《与牛顿、爱因斯坦齐名,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦生平简介》,趣历史
4、《麦克斯韦传》,佚名
5、《麦克斯韦》,刘叔化学
6、百度百科,麦克斯韦词条