<td id="9bqic"></td>

  • <table id="9bqic"><ruby id="9bqic"></ruby></table>

    <p id="9bqic"></p>
    <acronym id="9bqic"></acronym><pre id="9bqic"><strong id="9bqic"><small id="9bqic"></small></strong></pre>

      麥克斯韋方程組:電與磁的最后盛宴

      發表時間:2022-04-04 14:20:57來源:微科普作者:劉子景原創保護:權威認證:
      權威認證本文已通過專家審閱認證、已獲得原創保護
      字體大。A+  A-

        詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)1831年6月13日生于愛丁堡的印度街14號。其父詹姆斯·克拉克是一名辯護律師,家境殷實,其母弗朗西絲婚前姓凱。他的伯父是第六代克拉克從男爵。“麥克斯韋”這一姓氏來自于與克拉克家族關系深厚的麥克斯韋家族,麥克斯韋的曾祖母即來自這個家族。而在他的父親繼承了該家族位于柯庫布里郡的米德爾比的地產后,“麥克斯韋”被加在他的姓氏中。

        麥克斯韋幼年隨家人移居到建于他們家族米德爾比的領地上,占地610公頃的格倫萊爾莊園。如畫的風景,和睦的家庭,幸福的童年使他自幼就對這個世界萌生了難以抑制的好奇心。在1834年一封給他的姨母簡·凱寫的信中,他的母親寫到了自家孩子這種與生俱來的求知欲:“ 他對于門、鎖、鑰匙這些東西都非常感興趣。“告訴我它為什么會這樣?”“一直掛在他的嘴邊”。麥克斯韋的母親意識到自己孩子具有非凡的天賦,并承擔起了麥克斯韋的啟蒙教育,她為年幼的麥克斯韋介紹了西方古典音樂,繪畫,詩歌,雕塑,教他背誦彌爾頓的《失樂園》,帶他描摹著莊園內的各種美景。這位偉大的母親卻因胃癌在麥克斯韋8歲時離世。之后對于他的教育就由他的父親和姨母簡接手。

        麥克斯韋10歲時他的父親將他送到負有盛名的愛丁堡公學就讀。這段時光對于麥克斯韋本人而言并不愉快,因為濃重的地方口音與簡陋的服裝,麥克斯韋一到學校便遭到了其他同學的孤立,萬幸的是,麥克斯韋遇見了劉易斯·坎佩爾(Lewis Campbell)以及彼得·格思里·泰特(Peter Guthrie Tait),三位志趣相近意氣相投的年輕人就這樣成為了彼此一生的摯友。在14歲時,麥克斯韋完成了他人生中的第一篇科學論文《卵形線》(Oval Curves)。這種卵形線曾經由笛卡爾首先研究過,但麥克斯韋的方法簡潔又明確,麥克斯韋的父親對此感到極為振奮,由于麥克斯韋年齡太小而被認為沒有提交個人科學成果的資格,他父親將這篇論文寄給了愛丁堡大學的自然哲學教授詹姆斯·大衛·福布斯,后者對此評價頗高,并將其呈示給愛丁堡皇家學會,麥克斯韋杰出的數學才能第一次得到展現。麥克斯韋1847年自愛丁堡公學畢業后進入愛丁堡大學就讀,他認為愛丁堡大學的課程并不是很困難,他可以借此機會在課余時間學習自己感興趣的知識。在此期間,盡管實驗條件簡陋,他還是投入大量精力于偏振光的研究上。麥克斯韋18歲時向愛丁堡皇家學會的會報提交了兩篇論文。第一篇是《論彈性固體的平衡態》(On the Equilibrium of Elastic Solids)。另一篇是《滾線》(Rolling Curves),這位杰出的青年人開始逐漸嶄露頭角。1850年10月,麥克斯韋離開蘇格蘭前往劍橋大學,在這里麥克斯韋的非凡天賦終于有了展露之地,他師從威廉·霍普金斯(William Hopkins),在數學與物理領域有了很深的造詣,最終以院系第二的成績畢業,并獲得了該年的史密斯獎。畢業后他先后在馬歇爾學院與倫敦國王學院擔任教授。

        而這一時期正是物理學家們激情四射,大顯身手的好時機,自從1820年奧斯特發現電流的磁效應之后,電與磁之間那堵在傳統觀念上牢不可破的墻壁就此搖搖欲墜,無數杰出的物理學家奔向這一領域。以法國科學家安培為例,盡管這位科學巨匠在此之前曾斷言:“電和磁是相互獨立的兩種毫不相關的流體”,但在1820年后,沒過多久,他就將電流磁效應的研究向前推進了一大步,獲得了諸多成果。但這時有一個問題橫在了當時各位物理學家面前,既然電流可以產生磁場,那么從對稱性的角度,磁場也必然可以產生電流,當時有不少物理學家都有這種想法并想通過實驗來驗證這一點,但都以失敗告終。也有不少人對這一觀點產生了懷疑,但在當時擔任英國皇家科學院院士的法拉第(Michael Faraday)看來,磁與電必然滿足哲學形式上的對稱。在1831年8月31日,法拉第在一只軟鐵環上纏繞了兩組線圈,根據他的實驗日記記載,當法拉第把一段線圈與電源聯通時,他意外發現在接通的一瞬間,另一端線圈下的磁針明顯擺動了一下,然后又恢復到原位置。作為一個杰出的物理學家,法拉第敏銳地捕捉到這一奇特的現象,他意識到自己先前的觀點出了問題。按照一般的思路,穩恒的電場可以產生磁場,那么反過來穩恒的磁場也一定可以產生電場,但自然界不喜歡死板的對稱,至此他才明白電磁感應是一種瞬時性效應,之后的研究如同砍瓜切菜一般自然,法拉第按照這個思路又做了一系列實驗并從中總結出了一條重要的實驗定律,為了紀念法拉第的杰出貢獻,后人將此命名為法拉第電磁感應定律。

        電與磁的聯系至此揭開了它那神秘的面紗,絕美的面容第一次展現在了世人眼前。盡管法拉第這位偉大的科學家出生貧寒,但他勤奮好學的精神與數十年的豐富科研經驗讓他已經走出了屬于自己的道路,對于物理學尤其是實驗物理有著準確獨到的見解。由于早年沒有接受正規的高等教育,使得這位大師在數學表達上稍有欠缺,在他的著作中我們可以很明顯的感受到,法拉第一直在回避使用復雜的數學符號,這使得他的文章缺乏嚴密的數理邏輯,但是作為物理學家,他以冠絕當世的思想啟迪著后世,F在,電磁學的地基已經夯實,就等另一位杰出的大師在其上大顯身手,構建起屹立不倒的宏偉大廈了。

        當麥克斯韋還在劍橋大學讀書時,就曾在圖書館中通讀過法拉第的《電磁場通論》,年輕的麥克斯韋意識到雖然由于缺乏數學手段的幫助,法拉第的一些表述并不是很清楚,但其中蘊含的某種思想卻熠熠生輝,在細細研究后,麥克斯韋認為法拉第關于“場”的概念在未來將變得極為重要,他堅信一定可以利用數學的手段彌補法拉第的不足。在倫敦國王學院任教時,麥克斯韋將自己長久以來的一些研究結果連同自己的手稿一同寄給了法拉第,希望聽聽這位前輩的看法。法拉第收到來信看見那些精美的公式后極為興奮,當即回信道:

        我親愛的先生:

        收到了您的文章我很感謝。我不是說我敢于感謝您是為了您所說的那些有關力線的話,因為我知道您做這項工作是由于對哲學真理感興趣,您必定猜想它對我是一件愉快的工作,并鼓勵我去繼續考慮它。當我初次得知要用數學方法來處理電磁場時,我有不可名狀的擔心;但現在看來,這一內容竟被處理得非常美妙。

        麥克斯韋受到了極大的鼓舞,決心將法拉第以及前人的成果用自己的方式完美地展現在世人面前,這是他們也是自己應得的榮耀。麥克斯韋首先整理出了物理學界已有的結果,他注意到目前的所有成果都是基于靜電場與靜磁場,那么在一般情況下,這些公式是不是依舊適用呢?他大膽推導:

        靜電場散度已知,感應電場散度為0,因此,第一個方程可以寫出來了。靜電場散度為0,感應電場的散度法拉第前輩已經得到,所以,第二個方程也不難得到。磁場為無源場,第三個方程也顯而易見。第四個是不是也和穩恒場的情況一樣呢,麥克斯韋這樣想到。但很快他就發現不對勁了。能量守恒作為至高定律是不會出錯的,其數學形式意味著只有在穩恒情況下電流才會為零。第四個方程兩邊求散度后,在一般情況下,左邊為0而右邊不可能為0,數學不會是樣的,是哪里出錯了呢?麥克斯韋陷入了焦慮之中,明明就差一點,那頂桂冠明明就在眼前,觸手可及時卻又發現隔著一道萬丈深淵!

        現在看來,麥克斯韋方程組簡直是神來之筆,那簡直是神明在人間留存的痕跡,彷佛這一切本該是如此,但人世間哪有那么多理所當然的事呢,F在的我們已經難以想象當年的麥克斯韋是怎樣獲得靈感來解決這一問題的,麥克斯韋創造性的在第四個方程右邊增添了一項電場關于時間的變化率,或許是麥克斯韋本人杰出的數學功底,或許是受到哲學中對稱美學的啟發,亦或者二者兼顧,第四個方程至此誕生。這意味著電與磁的界限將徹底消失不見,法拉第已經證明變化的磁場可以產生電場,那么變化的電場也可以產生磁場,他驚訝的發現電磁場將以波的形式傳播出去,形成電磁波并且速度接近光速,由此推斷,光也是電磁波的一個分支,牛頓與惠更斯的光學規律完全可以靠已得到的方程組得出。

        跨時代的發現令麥克斯韋欣喜若狂,他立即將他的成果整理并發表出來,可惜的是,天才的思想是如此驚世駭俗,以至于整個物理學界對此嗤之以鼻,他們認為這幾個方程都是無聊的數學游戲。麥克斯韋本人因此深受打擊,他決心自己設計實驗來驗證自己的猜想,但很快他便遇見了當初與法拉第類似的困難。相較于對理論的輕車熟路信手拈來,他本人并不擅長實驗,在經歷了多次失敗后,只能無奈放棄了這一研究,最終在1879年11月5日因胃癌在劍橋逝世,享年48歲。在他去世時,這項劃時代的發現似乎已被人們遺忘,沒有人再提起這些方程,他閉眼的那一刻或許也極為不甘吧。而有意思的是,就在這一年,物理學的另一位宗師愛因斯坦在德國一戶貧苦的猶太人家中誕生,物理學就這樣一步步地艱難前進。

        直到1888年,這場盛宴由德國物理學家赫茲帶來了尾聲,他利用電火花實驗巧妙地證實了電磁波的存在,至此現代信息社會才開始真正起步,人們也終于意識到了麥克斯韋的偉大之處,他得到了他本該早早得到的榮譽。玻爾茲曼曾贊嘆道:是哪位神明寫出了這些符號?楊振寧先生就曾指出:麥克斯韋方程組的重要性無論怎樣都不會過分,麥克斯韋方程就是電磁論。

        在許多人的印象中,物理學家或是數學家都古板至極,每天沉浸在一堆旁人看不懂的符號中,嚴苛到不近人情,完全不懂得欣賞與享受。但需要注意到的是,近現代以來所有取得杰出貢獻的巨匠們,幾乎都對藝術情有獨鐘,牛頓本人就是一位哲學與藝術大家,麥克斯韋在愛丁堡公學就讀時獲得了校內的數學獎和英語以及詩歌的一等獎,愛因斯坦拉得一手小提琴。無論是牛頓三定律自誕生起那種天上地下唯我獨尊的氣勢,還是麥克斯韋方程組清水出芙蓉天然去雕飾的那種美感,抑或是愛因斯坦相對論奇妙詭異卻又優雅非凡的獨特氣質,所有偉大的科學成就是多種思維方式組合的產物,物理學家對于美的追求貫穿了科學史的始終。

        對故人最好的紀念,就是沿著他們開辟的道路繼續前進;蛟S在未來不斷有新的理論產生與消亡,未來也許有人會指著這些方程喊道:小道耳!但發現真理的過程本身就是一件極其幸福的事,至于結果如何,那就只能交給時間來評判了。

        作者簡介:劉子景,2001年出生,甘肅靜寧人,現就讀于蘭州大學核科學與技術學院。

      責編:微科普

      分享到:

      >相關科普知識

      日韩、欧美、亚洲综合在线三级片_欧美极品色在线视频_一边做一边潮喷30P_一级A片在线中文
      <td id="9bqic"></td>

    1. <table id="9bqic"><ruby id="9bqic"></ruby></table>

      <p id="9bqic"></p>
      <acronym id="9bqic"></acronym><pre id="9bqic"><strong id="9bqic"><small id="9bqic"></small></strong></pre>