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堪比大腦開掛的電磁學巫師

2024-01-16科學

詹姆士·克拉克·馬克士威(英文:James Clerk Maxwell)是19世紀偉大的英國物理學家與數學家。1831年11月13日生於蘇格蘭愛丁堡市,1873年6月6日卒於劍橋。

他的主要工作是1850年至1873年之間做出的。他的最重要的貢獻是1860年代建立起來的電磁理論。這個理論的一個關鍵部份是馬克士威方程式組。這個方程式組在很大程度上統一了迄今為止視為互不相幹的電學和磁學,從而統一了整個電磁世界,對後來人們利用電能、發展電機、電器、無線電通訊,以及開展空間技術等均有重大影響。

馬克士威在電磁學理論上還有不少有趣的創見,例如:他曾設想,如果讓帶電體在空間中自由運動,則它將不放射線能量;他曾提出,在電場影響下,靜止的電荷將不產生磁場;他還曾嘗試設想電磁波在真空中傳播的情況。這些創見和設想的正確與否並不重要,重要的是,正是這些假設和設想,啟發了後來的實驗研究,導致了對馬克士威電磁理論的進一步證實和完善。

馬克士威的主要著作有【電磁學】(1873年出版,其中包括了馬克士威最著名的著作【論電和磁】),【瓦斯分子的平均自由路程】(1860年),【瓦斯分子運動論】(1867年)和【各態經歷放射線的純力學效應】(1879年)。

馬克士威的一生對科學做出了巨大的貢獻。他的逝世引起了人們的廣泛哀悼。恩格斯在【自然辯證法】中熱情地贊揚說:「至今還沒有一個先鋒像詹姆士·克拉克·馬克士威那樣對自然科學和文明事業做出了如此巨大的貢獻。」

在中學時代,馬克士威就對數學與物理抱有極大的興趣。他曾自述道:「我大約在十四五歲時就渴望讀書。父母了解我的心事,他們為我購置了許多書籍供我閱讀。我訂購了科學期刊(雜誌)。」

1847年,馬克士威進入愛丁堡大學學習數學和物理。在大學裏,他聽了物理學家約翰·辛克雷(John Sinclair)講授的電磁學課程後,受到了很大的啟發,決心把電磁學的研究做出重大成果。1850年,馬克士威轉入格拉斯哥大學學習數學,並擔任了該校的物理教授。這時他才19歲。在此期間,他寫了題為【論法拉第的力線】(1855年)一文,這是他研究電磁理論的最初嘗試。在這篇文章中,他首次提出:磁場變化時會在導體中產生電動勢的思想;同時從理論上推匯出位移電流的存在以及變化的磁場會在空間激發一種電場(即所謂渦旋電場)的正確公式。這是物理學史上第一次從理論上推匯出渦旋電場的存在及其變化規律。

但是這一理論當時還無法得到實驗驗證。後來,人們把這個理論作為其整個電磁理論的基礎來加以接受和發展,建立了名聞一時的「馬克士威方程式組」。這個方程式組形式簡潔完美,概括了電磁場的基本規律(包括光的傳播),對後來人們開展電磁學與光學的研究起了指導作用。

隨後幾年中,馬克士威在深入研究瓦斯分子運動理論的基礎上,先後發表了三篇論文:一篇討論瓦斯分子的速度分布律(1859年);另一篇論文(即分子動理論中的第一篇論文)分析了音速的觀測結果(1860年);第三篇論文則研究了瓦斯分子平均自由路程與分子大小之間的關系(1867年)。這些成果對於後來分子物理學的發展起了重大作用。

然而真正使馬克士威獲得崇高榮譽的則是他在電磁學方面的卓越貢獻。

1860年是馬克士威一生中最為幸福的一年。這一年他發表了題為【論物理的力線】的重要論文。在這篇論文中,他進一步從數學上演繹出物理上所說的位移電流及其產生磁場的方法和公式;同時形成更加完整的「場」概念。這是物理學史上第一部概括電磁場普遍規律的經典著作。因此這篇論文被認為是繼牛頓的【數學原理】以後理論物理學領域中「最為重要的科學文獻」。同年夏天,馬克士威受邀到倫敦皇家學院講學,並把講稿整理成一本名為【電磁學通論】的專著出版(1873年)。這部書被恩格斯稱為「經典物理學中全部天體的交響曲」。

馬克士威在【電磁學通論】中得出了著名的「馬克士威方程式組」。這個方程式組形式簡潔完美,概括了電磁場的基本規律(包括光的傳播),對後來人們開展電磁學與光學的研究起到了指導作用。1865年,馬克士威開始研究色散現象,並提出了「色散的矩陣形式」,這一理論後來被稱為「馬克士威-勞侖茲矩陣」。1871年,馬克士威發表了【論顏色混合與視覺】的論文,提出了著名的「馬克士威顏色理論」,這一理論對於現代色彩科學的發展有著重要的影響。

馬克士威在科學研究方面的成就得到了廣泛的認可,他被譽為是19世紀最偉大的物理學家之一。他的理論不僅在當時具有重要的意義,而且對後世科學研究和技術發展產生了深遠的影響。馬克士威的理論奠定了現代電磁學的基礎,對於無線電通訊、電視、雷達、電子顯微鏡等技術的發展起到了重要的推動作用。同時,他的理論也在材料科學、光學、生物學等領域得到了廣泛的套用和發展。

總之,馬克士威是一位偉大的物理學家和數學家,他對電磁學和物理學的發展做出了卓越的貢獻。他的理論不僅在當時具有重要的意義,而且對後世科學研究和技術發展產生了深遠的影響。我們應當銘記馬克士威的傑出成就,並繼續探索和發展他的理論,為人類科學和技術的發展作出更大的貢獻。