物理学家麦克斯韦的信息
麦克斯韦1831年6月出生于英国爱丁堡。他的父亲是一名律师,但他的主要兴趣是制造各种机械和研究科学问题。他对科学的浓厚兴趣对麦克斯韦的一生产生了深远的影响。麦克斯韦10岁进入爱丁堡中学,14岁发表了他的第一篇科学论文《论椭圆曲线的机械绘制》,体现了他丰富的几何和代数知识。16岁进入爱丁堡大学学习物理。三年后,他转学到剑桥大学三一学院。在剑桥求学时,他打下了扎实的数学基础,这为他将数学分析与实验研究紧密结合创造了条件。他读了w·汤姆逊的科学著作,他对法拉第的新思想颇为认同,并仔细研读了法拉第的著作《电的实验研究》。在法拉第磁力线概念的指引下,通过这些看似混乱的实验记录,他看到其实有一些简单的规律贯穿其中。于是,他发表了第一篇电磁学论文《论法拉第的磁力线》。本文对法拉第的磁力线概念进行了精确的数学表达,并由此导出了库仑定律和高斯定律。本文仅局限于将法拉第的思想翻译成数学语言,尚未引出新的成果。1862年,他发表了第二篇论文《论物理力的线条》,不仅进一步发展了法拉第的思想,将其扩展到磁场的变化产生电场这一点,而且得出了一个新的结果:电场的变化产生磁场,预言了电磁波的存在,证明了这种波的速度与光速相等,揭示了光的电磁本质。这篇文章包括了麦克斯韦电磁理论研究的主要成果。1864年,他的第三篇论文《电磁场动力学理论》以几个基本的实验事实为基础,从场论的观点出发,通过演绎建立了系统的电磁理论。1873年出版的《电与磁》一书,是一部具有划时代意义的著作,在电磁学方面取得了巨大成就,全面总结了19世纪中叶以前关于电磁现象的研究成果,建立了完整的电磁学理论体系。这是一部可以与牛顿的自然哲学数学原理、达尔文的《物种起源》和赖尔的《地质学原理》相媲美的里程碑式的著作。
在总结前人工作的基础上,麦克斯韦引入了位移电流的概念,建立了一组微分方程。这组方程组确定了电荷、电流(运动电荷)、电场和磁场之间的一般关系,是电磁学的基本方程。麦克斯韦方程组表明,只要空间某处存在变化的磁场,就可以激发出涡旋电场,变化的电场可以激发出涡旋磁场。交变的电场和磁场相互激发,形成连续的电磁振荡,即电磁波。麦克斯韦方程还表明电磁波的速度只随介质的电性和磁性而变化,证明了电微波在以太(即真空)中的传播速度与光在真空中的传播速度相等。这不是偶然的巧合,而是因为光和电磁波本质上是一样的。光是具有一定波长的电磁波,这是麦克斯韦创立的光的电磁理论。
麦克斯韦被大多数现代物理学家视为19世纪的科学家,但他对20世纪的物理学产生了巨大的影响。他和牛顿、爱因斯坦一样有名。1931年,爱因斯坦在麦克斯韦百年诞辰时指出,麦克斯韦的工作是“自牛顿以来物理学中最深刻、最有成果的工作”,改变了物理实在的概念。麦克斯韦的电磁辐射概念和他的场方程是基于法拉第对电和磁力线的实验观察,由此引出爱因斯坦的狭义相对论,确立了质能等效原理。使麦克斯韦成为历史上最伟大的科学家之一的工作是他对电磁学的研究。麦克斯韦说,他最重要的工作是用数学方法表达法拉第的物理观点。麦克斯韦曾经说过,电磁波可以在实验室里产生。这种可能性最早是赫兹在1887年实现的,当时麦克斯韦已经去世8年了。因此,具有广泛应用价值的无线电工业实际上来自麦克斯韦的著作。除了电磁理论,麦克斯韦在物理学的其他领域也做出了巨大贡献。麦克斯韦在20多岁时写了一篇关于土星的论文,证实了土星周围所有的变化都是由一块块非粘性物质组成的。100多年后,当一个航海家太空投机者到达土星周围时,这个理论被证实了。1871年,麦克斯韦被选为卡文迪许教授。他设计了卡文迪什实验室,并亲自监督施工。
麦克斯韦的主要科学贡献在电磁学方面,同时在天体物理学、气体分子运动理论、热力学和统计物理学方面也有突出的成就。正如量子论创始人马克斯·普朗克(Max Plank L858-1947)指出:“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学家的门上,永远闪耀。从籍贯来说,他属于爱丁堡;个人认为,他属于剑桥大学;就功绩而言,他属于全世界。”