麦克斯韦

麦克斯韦是继法拉第之后在电磁学方面取得巨大成就的伟大科学家。他在库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等一系列先前发现和实验结果的基础上，建立了第一个完整的电磁理论体系。他不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象本质的统一，完成了物理学的又一次伟大的综合。这一理论自然科学的成果为现代电力工业、电子工业和无线电工业奠定了基础。麦克斯韦于1831年6月出生在英国爱丁堡。他的父亲是律师，但他的主要兴趣是制造各种机器和研究科学问题。他对科学的浓厚兴趣对麦克斯韦的生活产生了深远的影响。麦克斯韦10岁进入爱丁堡高中，14岁发表了他的第一篇科学论文《椭圆曲线的机械绘制》，反映了他在几何和代数方面的丰富知识。16岁时，他进入爱丁堡大学学习物理。三年后，他转到剑桥大学三一学院。他在剑桥学习时，打下了坚实的数学基础，为他将数学分析与实验研究紧密结合创造了条件。他读过汤姆森的科学著作。他完全同意法拉第的新观点，并仔细研究了法拉第的著作《电学实验研究》。在法拉第力线概念的指导下，他通过这些看似混乱的实验记录看到一些简单的定律实际上贯穿其中。结果，他发表了第一篇电磁学论文“法拉第力线”。本文用数学方法精确地表达了法拉第的力线概念，并由此导出了库仑定律和高斯定律。这篇文章仍然局限于将法拉第的思想翻译成数学语言，还没有产生新的结果。1862年，他发表了他的第二篇论文《论物理力的线》，不仅进一步发展了法拉第的思想并将其扩展到磁场的变化来产生电场，而且得到了一个新的结果:电场的变化产生磁场，从而预言了电磁波的存在，证明了这种波的速度等于光速，并揭示了光的电磁本质。这篇文章包括麦克斯韦对电磁理论研究的主要成果。1864年，他的第三篇论文“电磁场的动力学理论”，基于几个基本的实验事实，运用场论的观点，通过演绎建立了一个系统的电磁理论。出版于1873年的《电与磁》是一本划时代的电磁学著作。它全面总结了19世纪中叶以前电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论体系。这是一本里程碑式的书，可与牛顿的自然哲学数学原理、达尔文的物种起源和雷尔的地质学原理相媲美。麦克斯韦在总结前人工作的基础上，引入了位移电流的概念，建立了一套微分方程。这组方程决定了电荷、电流(运动电荷)、电场和磁场之间的一般联系，是电磁学的基本方程。麦克斯韦方程表明，只要空间某处存在变化的磁场，涡旋电场就能被激发，而变化的电场也能激发涡旋磁场。交变电场和磁场相互激励，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和磁特性而变化。根据这个公式，可以证明电子微波在以太网(即真空)中的传播速度等于光在真空中的传播速度。这不是偶然的巧合，而是因为光波和电磁波本质上是相同的。光是特定波长的电磁波，这是麦克斯韦的光电磁理论。麦克斯韦在19世纪被大多数现代物理学家视为科学家，但他在20世纪对物理学产生了巨大影响。他和牛顿、爱因斯坦一样出名。爱因斯坦在1931年麦克斯韦百年纪念会上指出，麦克斯韦的工作“是自牛顿以来物理学中最深刻和最有成果的工作”，从而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力线和磁力线的实验观察，从而引出爱因斯坦的狭义相对论，并建立了质量和能量等效的原则。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表达法拉第的物理学观点。麦克斯韦曾经说过，电磁波可以在实验室中产生。1887年，当麦克斯韦在8年前去世时，赫兹第一次意识到了这种可能性。因此，具有广泛应用价值的无线电产业实际上来自麦克斯韦的著作。除了电磁理论，麦克斯韦还在其他物理领域做出了重大贡献。麦克斯韦在20多岁时写了一篇关于土星的论文，证实土星周围的所有变化都是由不连贯的物质组成的。100多年后，当一名“航海家”太空投机者抵达土星时，这一理论得到了证实。1871年，麦克斯韦被选为卡文迪许教授。他设计了卡文迪许实验室，并亲自监督建设。麦克斯韦的主要科学贡献是在电磁学方面，他在天体物理学、气体分子运动理论、热力学、统计物理学等方面都取得了杰出的成就。正如量子理论的创始人马克斯·普朗克1858—1947所指出的:“麦克斯韦的光辉名字将永远铭刻在经典物理学家的门上，永远闪耀。从出生地来看，他属于爱丁堡。就个人而言，他属于剑桥大学。就功绩而言，他属于世界。”