超越时代的詹姆斯·麦克斯韦

最近，英国广播公司选出了近1000年来最伟大的10位思想家，英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦名列其中。由于许多人对麦克斯韦的科学贡献和他在人类社会中的深刻思想知之甚少，所以他们将在这里做一个简短的介绍。19世纪末，经典物理学转变为现代物理学，麦克斯韦是科学革命前的一个重要转折点。一方面，他是现代物理学的大师，是古典物理建筑的主要完成者之一。另一方面，他成为了现代物理学的先驱，因为他加速了牛顿力学观点的崩溃。麦克斯韦对科学的巨大贡献在于他提出并发展了一种新的世界观，为未来的科学研究指明了方向。他的电磁理论导致了相对论。他的气体动力学理论在量子理论中发挥了作用。他建立并领导的卡文迪什实验室领导了实验原子物理学的发展。所有这些使他成为继牛顿之后、爱因斯坦之前最重要的物理学家。

麦克斯韦于1831年6月13日出生于苏格兰爱丁堡。他是一个著名的家庭，从小就显示出他的数学天才。他在14岁时写了他的第一篇科学论文，并于次年在爱丁堡皇家学会杂志上发表。1847年高中毕业后，他进入爱丁堡大学学习数学、物理和哲学。1850年，他转到剑桥大学三一学院，专攻数学和物理。1854年以优异成绩毕业。

19世纪上半叶，电磁学实验研究发展迅速。20世纪20年代和30年代，电流和电磁感应的磁效应被发现，打破了电和磁是孤立现象的传统观念。然而，电磁学的理论研究进展相对缓慢，不可能建立一个统一电和磁现象的理论体系。到1850年，电学和磁学的实验和理论研究已经积累了大量但不完全的成果，迫切需要从更普遍的角度进行概括和总结。然而，当时的人们受牛顿力学观点的影响，认为电和磁力的作用是“超距离效应”以及重力的作用。正是这种传统观念阻碍了电和磁的统一。直到法拉第提出“场”的概念，这个错误的概念才被打破，但法拉第的思想在当时被大多数科学家鄙视。

麦克斯韦从剑桥大学毕业后不久就开始学习电磁学。他选择了“场”的概念作为出发点。从1855年到1864年，麦克斯韦从场的角度从理论上分析了法拉第电磁感应定律，提出了著名的麦克斯韦方程。这组方程不仅标志着经典物理建筑的最终完成，而且也预示了电磁波的存在，证明了电磁波的传播速度与真空中光速相同。在此基础上，麦克斯韦认为光是一种频率在一定范围内的电磁波。这是人类对光的本质理解的又一个巨大进步。正是在这个意义上，人们认为麦克斯韦统一了光学和电磁学，这是19世纪科学史上最伟大的综合之一。

今天，至少直到19世纪末，没有一种理论在指导人类社会生活方面发挥了与电磁理论相当的作用。在电磁理论形成之前，没有电报、灯、电话、收音机、雷达、电视，甚至没有发电机、马达、变压器等。在人类活动中。所有这些都是电磁理论的产物，是人类智慧的结晶。可以说，电磁理论的形成和应用是科学时代到来的标志。电力的应用是继机械动力之后最大的动力革命，其对社会经济和生活的意义远远超过机械动力。20世纪计算机的发展也依赖于电磁理论。今天，电磁波已经成为信息时代最基本的物质载体。

1855年，剑桥大学悬赏解决土星环的组成和稳定性问题。在试图解决这个问题的过程中，麦克斯韦对大量碰撞物体的运动产生了兴趣，并试图用概率论来研究它。1859年，他用概率论推导出著名的麦克斯韦速率分布。他的工作奠定了气体统计力学的基础，标志着物理学新时代的开始。统计概念的建立是现代物理学的一个重要变化。它不仅打开了现代力学自然观的一个缺口，而且为量子力学的建立和发展提供了思想武器和方法。

麦克斯韦的另一项重要工作是建造著名的卡文迪许实验室，这是剑桥大学的第一个物理实验室。实验室对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响。许多著名的科学家在实验室工作过。卡文迪什实验室甚至被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。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政策和研究精神作了精彩的阐述，这是一次在科学史上具有重大意义的演说。麦克斯韦的职业是理论物理，但他清楚地知道实验至上的时代还没有结束。他批判了当时英国传统的“粉笔”物理，呼吁加强实验物理的研究及其在大学教育中的作用，从而为后世树立实验科学精神。

麦克斯韦没有享受到他一生中应得的荣誉，因为他的科学思想和方法的重要性直到20世纪科学革命到来时才得到充分体现。然而，他没有看到科学革命。1879年11月5日，麦克斯韦在剑桥因病去世，享年48岁。爱因斯坦出生于那一年。科学史上的另一个这样的巧合发生在1642年，伽利略去世，牛顿诞生。