麦克斯韦:谱写了“上帝诗篇”的隐士

作者: 松鹰

在近代科学史上,有一位杰出的物理学家,虽然他的成就可以同牛顿、爱因斯坦相提并论,却不大为人所熟知,他就是被誉为“电波之父”的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。他总结了人类对电磁现象的认识,天才地预见了电磁波,为后来无线电的诞生和发展开辟了道路。电视、广播、无线电通信、导航、遥控、雷达等现代技术,都是通过电磁波传递信息来实现的。麦克斯韦揭开了电磁波奥秘的伟大发现,堪称是谱写了“上帝的诗篇”。

发现前辈著作中的不足

1831年,麦克斯韦出生于英国苏格兰。16岁时,他进入爱丁堡大学学习数学和物理。1954年,麦克斯韦刚从英国剑桥大学毕业,就读到了出版不久的法拉第的名著《电学实验研究》。这本书是法拉第毕生研究电磁学成果的总结,非常珍贵。但麦克斯韦发现,在这本巨著中,竟然找不到一条数学公式。

作为一位理论物理学家,麦克斯韦很清楚,物理学是离不开数学的。牛顿的力学定律、天文学的行星三大定律,都是以公式的形式来概括的。法拉第的电磁学说却没有一条公式,这引起了他的思索。

麦克斯韦虽然尊重前辈的成果,但从来不迷信任何权威。他开始从不足的方面去分析法拉第的著作。麦克斯韦意识到,缺乏数学上的高度概括,也许正是这位大师的短处。

一颗冉冉升起的电磁学新星

麦克斯韦写信向著名数学物理学家威廉·汤姆逊教授请教。汤姆逊回信告诉麦克斯韦:法拉第的学说包含着人们没有发现的真理,是带有革命性的;与此同时,由于法拉第是自学成才的科学家,虽然有许多过人之处,但数学修养较差,因此他的学说还缺乏理论上的严谨。

汤姆逊的信,像一盏明灯,照亮了麦克斯韦的前程。这位初出茅庐的青年科学家决定献出自己的数学才能,去弥补法拉第学说定性表述的弱点。

一年之后,24岁的麦克斯韦发表了他的第一篇电磁学论文——《法拉第的力线》。麦克斯韦通过数学方法,把法拉第关于电流周围存在磁力线这一思想,成功地概括为一个数学方程。法拉第的学说第一次有了定量的表述形式。

物理学史上最美的一组方程

麦克斯韦沿着这个方向深入研究下去,并陆续发表了多篇电磁学论文。1865年,麦克斯韦预言了电磁波的存在,并推导出电磁波的传播速度等于光速,同时得出结论:光是电磁波的一种形式。这一结论揭示了光现象和电磁现象之间的关系。1888年,德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。

1873年,麦克斯韦的辉煌巨著《电磁学通论》出版。他总结了奥斯特、安培、法拉第等人关于电和磁的研究成果,并在此基础上对整个电磁现象作了系统、全面的梳理。麦克斯韦将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来,也就是麦克斯韦方程组。整个世界有那么多复杂纷繁的电磁现象,但是没有一个能逃出这个方程组的约束,而且这个简短的方程组还具有美妙的对称性,因此有人称麦克斯韦方程组是物理学史上最美的一组方程。

麦克斯韦创立了经典电动力学,预言了电磁波的存在,提出了光的电磁说,是电磁学理论的集大成者。牛顿的经典力学打开了机械时代的大门,而麦克斯韦电磁学理论则为电气时代奠定了基石。

(供稿/蝌蚪五线谱 插画绘制/蔡成恩)