電磁理論的重要奠基人——麥克斯韋

麥克斯韋，到底有多牛？（那令人崩潰的麥克斯韋方程組就出自其手）

18~19世紀(jì)的歐洲，就像開了掛一樣，誕生了不計(jì)其數(shù)的天才科學(xué)家。

這些天才科學(xué)家取得的輝煌成就，奠定了現(xiàn)代學(xué)科的理論基礎(chǔ)，為20世紀(jì)人類科技的全面騰飛創(chuàng)造了條件。

以我們通信行業(yè)為例，目前我們最前沿的通信科技，不管是5G，還是Wi-Fi 6，都是基于電磁理論發(fā)展起來(lái)的技術(shù)。而電磁理論，就是18~19世紀(jì)奠基完成的。

我們今天這篇文章的主角，就是電磁理論的重要奠基人之一，大名鼎鼎的麥克斯韋。

麥克斯韋，全名是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell），英國(guó)著名物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。除了奠定電磁理論、開創(chuàng)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)之外，他還是統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一。

麥克斯韋的生平往事

我們首先回顧一下麥克斯韋的整個(gè)人生歷程。

相比于小棗君之前給大家介紹過的其他大神，麥克斯韋的人生經(jīng)歷可以說是非常平淡，既沒有大富大貴，也沒有大起大落。

1831年6月13日，麥克斯韋在蘇格蘭愛丁堡出生。他的父親是一位辯護(hù)律師，名叫詹姆斯·克拉克。之所以會(huì)多出一個(gè)“麥克斯韋”姓氏，是因?yàn)榭死思易搴望溈怂鬼f家族關(guān)系深厚，小麥克斯韋的曾祖母就來(lái)自麥克斯韋家族。小麥克斯韋他爹還繼承了麥克斯韋家族的一些地產(chǎn)。

幼年時(shí)期的麥克斯韋，雖然家境殷實(shí)，但因?yàn)榭谝魸庵氐葐栴}經(jīng)常遭到同齡人的嘲笑，所以性格比較孤僻，不太喜歡講話。他的教育，主要是由他的母親在負(fù)責(zé)。

8歲那年，麥克斯韋的母親患病去世，導(dǎo)致他變得更加沉默寡言。

不過，幸運(yùn)的是，麥克斯韋的父親并沒有放棄對(duì)他的關(guān)愛，積極鼓勵(lì)和陪伴他成長(zhǎng)。他父親發(fā)現(xiàn)，兒子經(jīng)常畫一些幾何圖形，于是，親自教導(dǎo)他學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。

當(dāng)時(shí)，他父親還聘請(qǐng)了一名家教對(duì)他進(jìn)行指導(dǎo)。然而，這名家教對(duì)小麥克斯韋極為尖酸刻薄，經(jīng)常責(zé)罵他遲鈍、任性。于是，他父親在1841年11月辭退了這名家教，將小麥克斯韋送到久負(fù)盛名的愛丁堡公學(xué)就讀。

這一期間，小麥克斯韋住在他的姨母伊薩貝拉家中。這位姨母對(duì)小麥克斯韋進(jìn)行了悉心的照顧和教育，給他的人生造成了很多正向的影響。姨母的女兒，也就是小麥克斯韋的表姐，杰邁瑪，激發(fā)了小麥克斯韋在繪畫方面的興趣和熱愛。據(jù)不可靠消息，杰邁瑪也是小麥克斯韋的初戀對(duì)象。

15歲的時(shí)候，麥克斯韋在愛丁堡皇家協(xié)會(huì)學(xué)報(bào)上，發(fā)表了自己的第一篇論文——《卵形線》（Oval Curves），在當(dāng)?shù)匾鹆瞬恍〉霓Z動(dòng)。

1847年，16歲的麥克斯韋如愿進(jìn)入了愛丁堡大學(xué)。此時(shí)的他，是班上年紀(jì)最小的學(xué)生，但成績(jī)卻總是名列前茅。他專攻數(shù)學(xué)物理，同時(shí)也接受了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)、邏輯學(xué)等學(xué)科的嚴(yán)格訓(xùn)練。

1850年，在征得父親同意的情況下，他轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。起初，他就讀于彼得學(xué)院，后來(lái)，按個(gè)人意愿，轉(zhuǎn)入了三一學(xué)院。在三一學(xué)院，他獲選加入了劍橋大學(xué)秘密的精英社團(tuán)——?jiǎng)蚴雇健?/p>

在三一學(xué)院就讀時(shí)的麥克斯韋，手上拿的是自己發(fā)明的比色環(huán)。

1851年，他開始跟隨著名數(shù)學(xué)家威廉·霍普金斯學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。

1854年，也就是23歲的時(shí)候，麥克斯韋以第二名的成績(jī)從劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系畢業(yè)，留校任教。

1855年，麥克斯韋讀到了大神法拉第的著作《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》，被書中各種各樣的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)所吸引，正式開始研究電磁學(xué)，從此一發(fā)不可收拾（后面會(huì)詳細(xì)說）。

1856年，麥克斯韋來(lái)到蘇格蘭阿伯丁的馬歇爾學(xué)院，擔(dān)任自然哲學(xué)教授。當(dāng)時(shí)他只有25歲，比其他教授至少年輕15歲。

1858年6月，麥克斯韋迎娶了馬歇爾學(xué)院院長(zhǎng)丹尼爾·迪尤爾的女兒——?jiǎng)P瑟琳·瑪麗·迪尤爾（Katherine Mary Dewar）。凱瑟琳比麥克斯韋大7歲，個(gè)子也比麥克斯韋高，長(zhǎng)相美麗且性格開朗。兩人婚姻生活非常和諧美滿、浪漫甜蜜，后來(lái)育有兩個(gè)女兒。

麥克斯韋和凱瑟琳

1860年，馬歇爾學(xué)院與阿伯丁國(guó)王學(xué)院合并成為阿伯丁大學(xué)。盡管麥克斯韋已有一定的影響力，但仍未爭(zhēng)取到新學(xué)校的自然哲學(xué)教授職位，而且申請(qǐng)愛丁堡大學(xué)相同職位也未成功。無(wú)奈之下，經(jīng)人介紹，麥克斯韋到倫敦國(guó)王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授。

此時(shí)的麥克斯韋，進(jìn)入了自己人生階段中最為高產(chǎn)的一段時(shí)期。他在電磁領(lǐng)域的幾篇重要論文，都發(fā)表于這一時(shí)期。1861年，麥克斯韋當(dāng)選為倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

1865年，麥克斯韋辭去教職，和凱瑟琳一起回到家鄉(xiāng)格倫萊爾，開始系統(tǒng)地總結(jié)電磁學(xué)的研究成果。這一期間，他完成了電磁場(chǎng)理論的經(jīng)典巨著——《電磁通論》，并于1873年出版。

1871年，麥克斯韋受聘為劍橋大學(xué)首任實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授，并負(fù)責(zé)籌建該校第一所物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室——卡文迪什實(shí)驗(yàn)室。

1874年，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室建成后，麥克斯韋擔(dān)任實(shí)驗(yàn)室的第一任主任。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室后來(lái)舉世聞名，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其重要的影響，被譽(yù)為“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者的搖籃”。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室舊址，這里產(chǎn)生了29位諾貝爾獎(jiǎng)得主。

后來(lái)的麥克斯韋，一直在傾力照顧自己生病的妻子（之前是照顧生病的父親），心力交瘁。沒過多久，自己也被查出患病。

1879年11月5日，麥克斯韋在劍橋因胃癌逝世，享年僅48歲。

此時(shí)，他剛剛完成第二版《電磁通論》前九章的修訂。值得一提的是，他的母親當(dāng)年也是相同年齡因?yàn)橄嗤陌┌Y而去世的（也有說法是他母親死于肺結(jié)核）。

逝世后的麥克斯韋，葬于蘇格蘭西南部羅門湖（Loch Ken） 附近的一座教堂中。

麥克斯韋的墓碑

麥克斯韋的成就與貢獻(xiàn)

好了，接下來(lái)，我們來(lái)看看麥克斯韋的人生成就。

一直以來(lái)，在學(xué)術(shù)界和歷史界，麥克斯韋都被賦予了極高的地位。他的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)，被認(rèn)為可以與牛頓、愛因斯坦比肩。

普通人可能會(huì)質(zhì)疑，麥克斯韋真的有這么牛嗎？竟然可以和牛爵爺、愛神平起平坐？他不就是搗鼓了一個(gè)麥克斯韋方程組嗎？值得封神嗎？

Hoho，麥克斯韋之所以民間名氣不夠大，就是吃了麥克斯韋方程組的虧。

你看牛爵爺?shù)娜蠖桑蹅冎袑W(xué)的時(shí)候就能看懂。公式的話，說來(lái)說去，也就是圍繞著“F=ma”轉(zhuǎn)，非常簡(jiǎn)單。

愛神的“相對(duì)論”嘛，反正大家都不懂，就知道很牛逼，就夠了。公式的話，E= mc 2 ，至少看起來(lái)簡(jiǎn)單好記啊。

麥克斯韋的方程組呢，Duang，就是下面這個(gè)：

你看得懂不？記得住不？寫得來(lái)不？

也許你在大學(xué)的時(shí)候，曾經(jīng)看得懂，我相信現(xiàn)在已經(jīng)忘得差不多了吧？

上面這個(gè)，還是經(jīng)過天才物理學(xué)家奧利弗·亥維賽“改良”的版本，原版的麥克斯韋方程組有20個(gè)方程式，更要命。

所以說，麥克斯韋屬于那種一般人看不懂他為什么牛逼，而專業(yè)人士明明知道他牛逼，卻解釋不清楚他為什么牛逼的類型。

麥克斯韋的生平極少發(fā)生八卦新聞，他的名字也沒有像安培、赫茲、特斯拉一樣，成為物理學(xué)單位，這都影響了他在普通人眼里的知名度。

其實(shí)，概括來(lái)說，麥克斯韋的最大貢獻(xiàn)，就是共同參與電磁理論的奠基，搞清了光、電、磁的真相，最終幫助人類駕馭了電磁波。

沒有麥克斯韋，就沒有電磁波的廣泛應(yīng)用（或者說會(huì)晚很多年），不會(huì)有手機(jī)、無(wú)線電、廣播、微波爐、雷達(dá)、衛(wèi)星、CT、B超……人類社會(huì)，完全會(huì)是另外一番景象。歷史的發(fā)展，也會(huì)是另外一種結(jié)局。

我們回顧一下電磁理論的誕生過程。

1820年，丹麥科學(xué)家奧斯特通過偶然發(fā)現(xiàn)的磁針偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，提出電流存在磁效應(yīng)。

此后不久，畢奧和薩伐爾在大佬拉普拉斯的幫助下，提出了著名的畢奧-薩伐爾定律，可以算出任意電流在空間中產(chǎn)生磁場(chǎng)的大小。但是這種方法在實(shí)際使用的時(shí)候比較繁瑣。

再后來(lái)，安培發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更實(shí)用更簡(jiǎn)單的計(jì)算電流周圍磁場(chǎng)的方式，這就是安培環(huán)路定理。安培還總結(jié)了一個(gè)很實(shí)用的規(guī)律，用于判斷電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向，這就是大家非常熟悉的安培定則（也就是右手螺旋定則）。

再再后來(lái)，大神法拉第出場(chǎng)，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，提出了電磁感應(yīng)定律（1831年），引入了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念（1837年），指出電和磁周圍都有場(chǎng)的存在，打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。

邁克爾·法拉第（1791~1867）

然而，法拉第是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他小時(shí)候因?yàn)榧彝ジF困沒有受過正統(tǒng)教育，數(shù)學(xué)能力較弱，所以無(wú)法通過數(shù)學(xué)公式對(duì)自己的理論進(jìn)行證明，一直為此耿耿于懷。

法拉第的著作——《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》，從頭到尾沒有一個(gè)公式

在法拉第的默默召喚之下，上帝派來(lái)了數(shù)學(xué)兼物理雙料天才——麥克斯韋，幫助法拉第了卻心愿。

1855年，麥克斯韋發(fā)表了一篇論文——《論法拉第的力線》，第一次試圖將數(shù)學(xué)形式引入法拉第的力線概念，從而初步建立電與磁之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。這篇文章引起了物理學(xué)界的重視，也得到法拉第本人的贊揚(yáng)。

1862年，麥克斯韋發(fā)表了第二篇論文——《論物理學(xué)的力線》。在這篇論文中，他首次提出了“位移電流”和“電磁場(chǎng)”等新概念，對(duì)電磁理論給出了更完整的數(shù)學(xué)表述。

1864年，麥克斯韋發(fā)表了第三篇論文——《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》。這篇論文中不僅給出了麥克斯韋方程，還首次提出了“電磁波”的概念。

麥克斯韋認(rèn)為，變化的電場(chǎng)會(huì)激發(fā)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又激發(fā)電場(chǎng)。這種變化的電場(chǎng)磁場(chǎng)共同構(gòu)成了電磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)以橫波的形式在空間傳播，就是電磁波。

麥克斯韋推算出電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)和光速非常接近，于是，他指出：“光與磁是同一物質(zhì)的兩種屬性，而光是按照電磁定律在電磁場(chǎng)中傳播的電磁擾動(dòng)?！?/p>

以上這些突破性進(jìn)展，極大地驗(yàn)證了法拉第的電磁感應(yīng)定律，也讓法拉第可以不留遺憾地離開這個(gè)世界（1867年）。

法拉第是幸運(yùn)的，但麥克斯韋卻沒有那么好命。

雖然麥克斯韋通過完美的數(shù)學(xué)公式奠定了電磁理論的基礎(chǔ)，但是，因?yàn)槔碚撨^于精深復(fù)雜，公式過于抽象，所以并未得到公眾的廣泛認(rèn)可。

在牛頓力學(xué)仍占主導(dǎo)的那個(gè)時(shí)期，麥克斯韋的理論遭到主流學(xué)術(shù)界的抵制，年輕學(xué)者也很少有人愿意追隨他。

據(jù)說，在麥克斯韋去世那年，當(dāng)他仍然堅(jiān)持不懈地宣傳電磁波理論時(shí)，只有2個(gè)聽眾愿意聽他上課，一個(gè)是來(lái)自美國(guó)的研究生，另一個(gè)是后來(lái)發(fā)明電子管的弗萊明。

他逝世后，主流學(xué)術(shù)界依舊沒有接受他的理論。

一直到他逝世的9年后，1888年，年輕的德國(guó)物理學(xué)家赫茲，通過實(shí)驗(yàn)首次證實(shí)了電磁波的存在，才真正驗(yàn)證了麥克斯韋理論的正確性。麥克斯韋的貢獻(xiàn)和地位，得以被全世界承認(rèn)。如果他泉下有知，也可以瞑目了。

海因里?！?shù)婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz）

在科學(xué)史上，人們普遍認(rèn)為，牛頓把天上和地上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)，是“第一次”大統(tǒng)一，而麥克斯韋把電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，是“第二次”大統(tǒng)一。

值得一提的是，后來(lái)愛因斯坦受麥克斯韋方程組的刺激，想要以同樣的方法統(tǒng)一力場(chǎng)，將宏觀和微觀的兩種力放在同一組式子中，實(shí)現(xiàn)最終的“大一統(tǒng)理論”，結(jié)果沒搞成。不然的話，這個(gè)世界估計(jì)又是另外一個(gè)樣子了。。。

此外，麥克斯韋的《電磁學(xué)通論》，作為電磁學(xué)經(jīng)典著作，也經(jīng)常被拿來(lái)和牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（力學(xué)）、達(dá)爾文的《物種起源》（生物學(xué)）相提并論。

所有這些，都足以證明麥克斯韋的偉大。

上面所說的貢獻(xiàn)，還僅僅只是麥克斯韋在電磁理論方面的工作。除了電磁理論之外，麥克斯韋在光學(xué)、天文學(xué)、分子運(yùn)動(dòng)論和熱力學(xué)等諸多領(lǐng)域也有非常深入的研究，對(duì)后世產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

例如著名的物理學(xué)四大神獸之一，麥克斯韋妖，就是麥克斯韋圍繞熱力學(xué)第二定律提出來(lái)的一個(gè)佯謬。

結(jié)語(yǔ)

回顧麥克斯韋出生和逝世年月，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)驚人的巧合——麥克斯韋出生的那一年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)；麥克斯韋去世的那一年，愛因斯坦出生。

愛因斯坦一生對(duì)麥克斯韋極為推崇，他后來(lái)取得的很多研究成果（狹義相對(duì)論等），都離不開麥克斯韋的前期貢獻(xiàn)。也有人戲稱，愛因斯坦是麥克斯韋的隔世弟子。

1931年，在麥克斯韋誕辰一百周年的紀(jì)念會(huì)上，愛因斯坦評(píng)價(jià)麥克斯韋的建樹，是“牛頓以來(lái)，物理學(xué)最深刻和最富有成果的工作?！?/p>

量子論創(chuàng)立者普朗克也是麥克斯韋的忠實(shí)擁躉。他是這么評(píng)價(jià)麥克斯韋的：“他的光輝名字將永遠(yuǎn)鐫刻在經(jīng)典物理學(xué)的門扉上，永放光芒。從出生地來(lái)說，他屬于愛丁堡；從個(gè)性來(lái)說，他屬于劍橋大學(xué)；從功績(jī)來(lái)說，他屬于全世界?！?/p>

來(lái)自20世紀(jì)最偉大天才們的肯定，足以說明這位19世紀(jì)最偉大天才的價(jià)值。不是嗎？

責(zé)任編輯：haq