麦克斯韦的故事

Time: 2024-04-22 View:

做遥感的都必须熟悉电磁波。那麦克斯韦也必须得熟悉。为什么?因为没有他在电磁学的工作,没有他的电磁场理论,遥感就完全没有理论基础。他几乎以一人之力,建立了统一的经典电磁场理论和光的电磁理论,预言了电磁波的存在。1873年,麦克斯韦完成的巨著《电磁学通论》,是一部可以同牛顿的《自然哲学的数学原理》相媲美的书,具有划时代的意义。爱因斯坦在自传中说:“在我求学的时代,最吸引人的题目就是麦克斯韦的理论”,“特殊的相对论起原于麦克斯韦的电磁场方程”。1931年,在纪念麦克斯韦诞生100周年时,爱因斯坦把麦克斯韦的电磁场贡献评价为“自牛顿时代”以来物理学所经历的最深刻最有成效的变化。”其实,除了电磁学,麦克斯韦还发明了电桥,推导了分子运动分布律,研究过土星的光环和视觉理论,等等。麦克斯韦的人生简直是传奇。

那么,麦克斯韦的开挂人生究竟是怎样开启的?尤其是我想建立光学和微波的统一遥感模型,更需要一探究竟。

先看一下生平:麦克斯韦(James Clerk Maxwel 1831~1879),英国物理学家,1831年6月13日生于英国爱丁堡的一个地主家庭,8岁时,母亲去世,在父亲的诱导下学习科学,16岁时进入爱丁堡大学,1850年转入剑桥大学研习数学,1854年以优异成绩毕业于该校三一学院数学系,并留校任职。1856年到阿伯丁的马里沙耳学院任自然哲学教授。1860年到伦敦任皇家学院自然哲学及天文学教授。1865年辞去教职还乡,专心治学和著述。1871年受聘为剑桥大学的实验物理学教授,负责筹建该校的第一所物理学实验室——卡文迪许实验室,1874年建成后担任主任。1879年第11月5日在剑桥逝世,终年只有49岁。为什么会英年早逝?主要是他的学说虽然畅销,但是没有人理解,妻子又久病不愈。这双重的打击,压得他精疲力竭。妻子病后,整个家庭生活的秩序都颠倒了。麦克斯韦为了看护她,有时整整三周没在床上睡过觉。尽管如此,他的讲演,他的实验室工作,却从没有中断过。过分的焦虑和劳累,终于夺去了他的健康。可怜他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路,可是他的功绩生前却未得到重视。直到他死后许多年,在赫兹证明了电磁波存在后,人们才意识到他是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。

回顾他短暂但是辉煌的一生,有些人起到了很关键的指引作用:幼年父亲的指导,名师霍普金斯的培养,法拉第的指点。

麦克斯韦8岁那年,母亲去世,但在父亲深情的关照和详尽的指导下,加上自己的勇气和求知欲,麦克斯韦的童年仍然充满着美好。麦克斯韦从小就有很强的求知欲和想象力,爱思考,好提问。据说还在他两岁多的时候,有一次爸爸领他上街,看见一辆马车停在路旁,他就问:“爸爸,那马车为什么不走呢?”父亲说:“它在休息。”麦克斯韦又问:“它为什么要休息呢?”父亲随口说了一句:“大概是累了吧?”“不,”麦克斯韦认真地说,“它是肚子疼!”还有一次,姨妈给麦克斯韦带来一篮苹果,他一个劲地问:“这苹果为什么是红的?”姨不知道怎么回答,就叫他去玩吹肥皂泡。谁知他吹肥皂泡的时候,看到肥皂泡上五彩缤纷的颜色,提的问题反而更多了。上中学的时候,他还提过象“死甲虫为什么不导电”,“活猫和活狗摩擦会生电吗”等问题。父亲很早就教麦克斯韦学几何和代数。上中学以后,课本上的数学知识麦克斯韦差不多都会了,因此父亲经常给他开“小灶”,让他带一些难题到学校里去做。每当同学们欢蹦乱跳地玩的时候,麦克斯韦却进入了数学的乐园,他常常一个人躲在教室的角落里,或者独自坐在树荫下,入迷地思考和演算着数学难题。

麦克斯韦在上课的时候,总是认真听讲,积极思考。他不但爱提一些别出心裁的问题,而且还能纠正老师讲课中出现的错误。据说有一次,他发现一位讲师写的公式有错误,立即站起来作了报告。老师很自信,挖苦地说:“如果是你对了,我就把它叫做麦氏公式!”后来老师回家一验算,果然是麦克斯韦对了。

19岁的麦克斯韦初到剑桥,一切都觉得新鲜。这一时间,麦克斯韦专攻数学,读了大量的专门著作。不过,他读书不大讲系统性。有时候,为了钻研一个问题,他可以接连几个星期什么事都不干;有时候,他又可能见到什么读什么,漫无边际。

这个善于学习和思考的年轻人,需要名师点拨,才能放出异彩。幸运的是,一次偶然的机会,麦克斯韦果然遇到了一位好老师,这就是霍普金斯。霍普金斯是剑桥大学数学教授,一天,他到图书馆借书,他要的一本数学专著不巧被一位学生先借走了。那书是一般学生不可能读懂的,教授有些奇怪。他询问借书人名字,管理员答道“麦克斯韦”。教授找到麦克斯韦,看见年轻人正埋头摘抄,笔记本上涂得五花八门,毫无头绪,房间里也是乱糟糟的。霍普金斯不禁对青年发生了兴趣,诙谐地说:“小伙子,如果没有秩序,你永远成不了优秀的数学物理家。”从这一天开始,霍普金斯成了麦克斯韦的指导教授。

霍普金斯很有学问,培养过不少人才。麦克斯韦在他的指教下,首先克服了杂乱无章的学习方法。霍普金斯对他的每一个选题,每一步运算都要求很严。这位导师还把麦克斯韦推荐到剑桥大学的尖子班学习,这个班由有多方面成就的威廉·汤姆生(开尔文)和数学家斯托克主持,他俩也曾是霍普金斯的学生,数学造诣很高。经这两位优秀数学家的指点,麦克斯韦进步很快,不到三年,就掌握了当时所有先进的数学方法,成为有为的青年数学家。霍普金斯曾对人称赞他说:“在我教过的所有学生中,毫无疑问,这是我所遇到的最杰出的一个。”

可以看出,名师的指导是多么重要。再聪明的学生,也需要导师进行正规的科研训练和引导,才能出师,独立有效地开展科研。   1854年,麦克斯韦毕业后不久,就读到了法拉第的名著《电学实验研究》。法拉第在这书中,把他数十年研究电磁现象的心得归结为“力线”的概念。法拉第做了一个构思精细、设计巧妙的实验:把铁粉撒在磁铁周围,铁粉就呈现出有规则的曲线,从一磁极到另一磁极,连续不断。法拉第把这种曲线称为力线,他还进一步用实验证明,这种力线具有物理性质。他把布满磁力线的空间称为磁场,而磁力就是通过连续磁场传递的。麦克斯韦完全被书中的实验和新颖的见解吸引住了。法拉第的著作,把他带到一个崭新的知识领域,使他无比神往。

其实,我想问的是,为什么只有麦克斯韦发现了法拉第工作的价值?也许这和天赋有关,但是没有大量阅读和思考做基础,也很难让这种敏锐的嗅觉发挥作用。一年之后,24岁的麦克斯韦发表了《法拉第的力线》,这是他第一篇关于电磁学的论文。在论文中,麦克斯韦通过数学方法,把电流周围存在磁力线这一特征,概括为一个数学方程。这一年,恰好法拉第结束了长达30多年的电学研究,在科学笔记上写下了最后的一页。两人在互不认识的默契中完成了传承。

这种传承终于在四年后的一个春天得到了见证:麦克斯韦特意去拜访了法拉第。在谈话中,法拉第提到了麦克斯韦四年前的论文《法拉第的力线》,建议“你不应停留于用数学来解释我的观点,而应该突破它。”“突破它!”法拉第的话大大地鼓舞了麦克斯韦,他立即以更大的热忱投入了新的战斗,要把法拉第的研究向前推进一步。两年后,麦克斯韦在英国《哲学杂志》上,发表了第二篇电磁论文《论物理的力线》。文章一登出来,立即引起了强烈的反响。这是一篇划时代的论文,它与七年前麦克斯韦的第一篇电磁论文相比,有了质的飞跃。因为《论物理的力线》,不再是法拉第观点单纯的数学解释,而是有了创造性的引伸和发展。

麦克斯韦从理论上引出了位移电流的概念,这是电磁学上继法拉第电磁感应提出后的一项重大突破。

麦克斯韦并未到此为止。他再一次发挥自己的数学才能,由这一科学假设出发,推导出两个高度抽象的微分方程式,这就是著名的麦克斯韦方程式。这组方程不仅圆满地解释了法拉第电磁感应现象,还作了推广:凡是有磁场变化的地方,周围不管是导体或者介质,都有感应电场存在。方程还证明了,不仅变化的磁场产生电场,而且变化的电场也产生磁场。经过麦克斯韦创造性的总结,电磁现象的规律,终于被他用明确的数学形式揭示出来。电磁学到此才开始成为一种科学的理论。

可以看到,如果没有强大的数学基础和才能,电场和磁场的统一可能永远不会出现。数学和物理始终是遥感的基础。

在自然科学史上,只有当某一科学达到了成熟阶段,才可能用数学表示成定律形式。这些定律不仅能解释已知的现象,还可以揭示出某些尚未发现的东西。正如牛顿的万有引力定律预见了海王星一样,麦克斯韦的方程式预见了电磁波的存在。因为,既然交变的电场会产生交变的磁场,而交变的磁场又会产生交变的电场,这种交变的电磁场就会以波的形式,向空间散布开去。麦克斯韦作出这一预见时,年仅31岁。这是麦克斯韦一生中最辉煌的一年。

麦克斯韦继续向电磁领域的深度进军。1865年,他发表了第三篇电磁学论文。在这篇重要文献中,麦克斯韦方程的形式更完备了。他并且采用一种新的数学方法,由方程组直接推导出电场和磁场的波动方程,从理论上证明了电磁波的传播速度正好等于光速!这与麦克斯韦四年前用实验推算出的结论完全一致。至此,电磁波的存在是确信无疑了!

于是,麦克斯韦大胆地宣布:世界上存在一种尚未被人发现的电磁波,它看不见,摸不着,但是它充满在整个空间。光也是一种电磁波,只不过它可以被人看见而已。

麦克斯韦的预言,震动了整个物理界,麦克斯韦《电磁学通论》的出版,成了当时物理学界的一件大事,第一版几天内就销售一空。

我的感触是,麦克斯韦只是发表了三篇论文和一本书而已,但是一本比一本精彩,全是干货(虽然很多人看不懂)。一个科学家的一生有多少文章不是关键,最终还是要看代表作啊。