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堪比大脑开挂的电磁学奇才

2024-01-16科学

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(英文:James Clerk Maxwell)是19世纪伟大的英国物理学家与数学家。1831年11月13日生于苏格兰爱丁堡市,1873年6月6日卒于剑桥。

他的主要工作是1850年至1873年之间做出的。他的最重要的贡献是1860年代建立起来的电磁理论。这个理论的一个关键部分是麦克斯韦方程组。这个方程组在很大程度上统一了迄今为止视为互不相干的电学和磁学,从而统一了整个电磁世界,对后来人们利用电能、发展电机、电器、无线电通讯,以及开展空间技术等均有重大影响。

麦克斯韦在电磁学理论上还有不少有趣的创见,例如:他曾设想,如果让带电体在空间中自由运动,则它将不辐射能量;他曾提出,在电场影响下,静止的电荷将不产生磁场;他还曾尝试设想电磁波在真空中传播的情况。这些创见和设想的正确与否并不重要,重要的是,正是这些假设和设想,启发了后来的实验研究,导致了对麦克斯韦电磁理论的进一步证实和完善。

麦克斯韦的主要著作有【电磁学】(1873年出版,其中包括了麦克斯韦最著名的著作【论电和磁】),【气体分子的平均自由路程】(1860年),【气体分子运动论】(1867年)和【各态经历辐射的纯力学效应】(1879年)。

麦克斯韦的一生对科学做出了巨大的贡献。他的逝世引起了人们的广泛哀悼。恩格斯在【自然辩证法】中热情地赞扬说:「至今还没有一个先驱者像詹姆斯·克拉克·麦克斯韦那样对自然科学和文明事业做出了如此巨大的贡献。」

在中学时代,麦克斯韦就对数学与物理抱有极大的兴趣。他曾自述道:「我大约在十四五岁时就渴望读书。父母了解我的心事,他们为我购置了许多书籍供我阅读。我订购了科学期刊(杂志)。」

1847年,麦克斯韦进入爱丁堡大学学习数学和物理。在大学里,他听了物理学家约翰·辛克莱(John Sinclair)讲授的电磁学课程后,受到了很大的启发,决心把电磁学的研究做出重大成果。1850年,麦克斯韦转入格拉斯哥大学学习数学,并担任了该校的物理教授。这时他才19岁。在此期间,他写了题为【论法拉第的力线】(1855年)一文,这是他研究电磁理论的最初尝试。在这篇文章中,他首次提出:磁场变化时会在导体中产生电动势的思想;同时从理论上推导出位移电流的存在以及变化的磁场会在空间激发一种电场(即所谓涡旋电场)的正确公式。这是物理学史上第一次从理论上推导出涡旋电场的存在及其变化规律。

但是这一理论当时还无法得到实验验证。后来,人们把这个理论作为其整个电磁理论的基础来加以接受和发展,建立了名闻一时的「麦克斯韦方程组」。这个方程组形式简洁完美,概括了电磁场的基本规律(包括光的传播),对后来人们开展电磁学与光学的研究起了指导作用。

随后几年中,麦克斯韦在深入研究气体分子运动理论的基础上,先后发表了三篇论文:一篇讨论气体分子的速度分布律(1859年);另一篇论文(即分子动理论中的第一篇论文)分析了音速的观测结果(1860年);第三篇论文则研究了气体分子平均自由路程与分子大小之间的关系(1867年)。这些成果对于后来分子物理学的发展起了重大作用。

然而真正使麦克斯韦获得崇高荣誉的则是他在电磁学方面的卓越贡献。

1860年是麦克斯韦一生中最为幸福的一年。这一年他发表了题为【论物理的力线】的重要论文。在这篇论文中,他进一步从数学上演绎出物理上所说的位移电流及其产生磁场的方法和公式;同时形成更加完整的「场」概念。这是物理学史上第一部概括电磁场普遍规律的经典著作。因此这篇论文被认为是继牛顿的【数学原理】以后理论物理学领域中「最为重要的科学文献」。同年夏天,麦克斯韦受邀到伦敦皇家学院讲学,并把讲稿整理成一本名为【电磁学通论】的专著出版(1873年)。这部书被恩格斯称为「经典物理学中全部天体的交响曲」。

麦克斯韦在【电磁学通论】中得出了著名的「麦克斯韦方程组」。这个方程组形式简洁完美,概括了电磁场的基本规律(包括光的传播),对后来人们开展电磁学与光学的研究起到了指导作用。1865年,麦克斯韦开始研究色散现象,并提出了「色散的矩阵形式」,这一理论后来被称为「麦克斯韦-洛伦兹矩阵」。1871年,麦克斯韦发表了【论颜色混合与视觉】的论文,提出了著名的「麦克斯韦颜色理论」,这一理论对于现代色彩科学的发展有着重要的影响。

麦克斯韦在科学研究方面的成就得到了广泛的认可,他被誉为是19世纪最伟大的物理学家之一。他的理论不仅在当时具有重要的意义,而且对后世科学研究和技术发展产生了深远的影响。麦克斯韦的理论奠定了现代电磁学的基础,对于无线电通讯、电视、雷达、电子显微镜等技术的发展起到了重要的推动作用。同时,他的理论也在材料科学、光学、生物学等领域得到了广泛的应用和发展。

总之,麦克斯韦是一位伟大的物理学家和数学家,他对电磁学和物理学的发展做出了卓越的贡献。他的理论不仅在当时具有重要的意义,而且对后世科学研究和技术发展产生了深远的影响。我们应当铭记麦克斯韦的杰出成就,并继续探索和发展他的理论,为人类科学和技术的发展作出更大的贡献。