halloween怎么读_【科技人物】麦克斯韦：电磁理论的统一者 ——读《麦克斯韦：改变一切的人》

麦克斯韦:电磁理论的统一者

-阅读麦克斯韦:改变一切的人

金一新

詹姆斯·牛仔裤爵士，19世纪詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的一位伟大的物理学家，称赞他是“自牛顿以来世界上最伟大的数学物理学家”爱因斯坦将麦克斯韦对电磁场的贡献评价为“自牛顿时代以来物理学中最深刻和最有效的变化”“

但是由于理论的进步，麦克斯韦没有享受到他一生中应该享有的荣誉，“尽管麦克斯韦的理论具有内在的完美性并符合所有的经验，但它只能被物理学家逐渐接受。”它的思想如此不同寻常，以至于即使像亥姆霍兹和玻尔兹曼这样有着不同寻常天赋的人也花了几年时间试图理解它。"

物理和数学是两个密切相关的交叉学科。如果说在科学发展的早期，数学的发展更多地依赖于物理学，那么在现代，物理学的发展更多地依赖于数学。这已经被麦克斯韦很好地证明了。正是由于他深厚的数学基础和对物理研究的自觉应用，麦克斯韦才取得了巨大的成就。马克斯韦尔在学生时代就表现出了非凡的数学天赋和兴趣。麦克斯韦关于椭圆线的第一篇论文发表在爱丁堡皇家学会杂志上，当时他还不到15岁。

完成这篇论文后，麦克斯韦在爱丁堡大学又发表了两篇论文，并在剑桥学习期间发表了两篇论文。从他最初的论文中，可以清楚地看出麦克斯韦对几何的强烈偏好，四篇论文中有三篇是关于几何的。需要强调的是，麦克斯韦在爱丁堡时期并没有表现出非凡的数学天赋。在当时的同学中，麦克斯韦尔的成绩是优秀的，但没有绝对的优势。也就是说，他非凡的智慧不是由于他在数学方面的天赋，而是由于他不屈不挠的伟大毅力。在他后来的学习中，他一直重视数学的学习。他的勤奋和毅力为他奠定了坚实的基础，也为他在物理学上的成就奠定了基础。

麦克斯韦在自己的物理研究中非常重视数学思维和物理实验的紧密结合，自觉地运用数学方法，特别是喜欢用几何来解释物理现象。例如，在对颜色视觉的研究中，麦克斯韦充分利用了他的几何知识，区分了三个新的变量:颜色、颜色辉光和颜色阴影。从这三个变量开始，他认为颜色表是三原色的总和。因此，“将元素化为三的两种方法之间的关系成为一个几何问题”

麦克斯韦在数学上证明了环是在研究土星环的过程中由许多单个粒子组成的小行星带。在重视数学应用的物理研究中，把数学作为工具和利剑已经成为麦克斯韦成功的利器，这也清楚地表现在麦克斯韦最重要的著作——创造电磁理论中。

麦克斯韦的电磁理论是基于法拉第的工作当时法拉第的力线思想只是年轻思想的萌芽。要想在物理学领域成长为一棵参天大树，必须突破三块巨石的压迫:数学表达式、实验证实和概念改变。然而，法拉第萌芽思想的持续培育者分别是麦克斯韦、赫兹和洛伦茨。法拉第当时已经解释了电和磁之间的相互关系和转换，但由于缺乏数学技能，他无法构建一个全面统一的理论，这为麦克斯韦发挥他的数学能力留下了空间。甚至他认为他的工作实际上是将法拉第的思想翻译成数学语言。

麦克斯韦的第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》，他首先对力线和不可压缩流体进行了大胆的类比，从而将深奥复杂的物理知识转化为直观的几何形式，然后对法拉第的力线概念进行了数学处理，提出了电场的概念。麦克斯韦在他的第二篇论文《物理力线上》中，获得了一个高度抽象的微分方程麦克斯韦在他的第三篇论文“电磁场的动力学理论”中，利用场论和纯数学工具的思想建立了麦克斯韦方程

麦克斯韦曾经说过:“通过数学分析和实验研究相结合获得的物理科学知识比简单的实验者或简单的数学家所能拥有的知识更加坚实、有益和可靠。”“可能有一些数学家从事他的研究，完全是为了他自己的目的，但大多数人认为数学的主要目的是解释自然现在，一个人学习一些数学，以便理解他所看到的一些自然现象，或者为他想进行的一些实验计算出最佳设备。“

在麦克斯韦的时代，哲学家和物理学家都认为自然是一个和谐统一的整体。追求和谐统一是物理学永恒的主题，也是无数物理学家梦寐以求和孜孜以求的目标。追求统一意味着找出它们在数学中对于物理世界所有规律的表现形式，从而使它们符合数学美。可以想象，这是一份伟大而令人向往的工作。这样的梦想吸引了无数物理学家为之奋斗。麦克斯韦就是其中之一。数学是物理的语言。数学独特的简单性和论证的严格性，加上麦克斯韦本人对数学方法的偏爱，将不可避免地激发他通过数学语言表达物理定律的欲望。他的目标是建立一套完整的电磁学数学方程，能够准确而严格地显示所有发现的电磁现象规律。让无数人钦佩的是，麦克斯韦做到了1873年，麦克斯韦发表了《电磁学通论》，建立了一套完整的方程，包括20个变量和20个方程，简单地表示为6个矢量方程和2个标量方程这组方程包括库仑定律、高斯定律、欧姆定律、安培定律、毕奥-萨伐尔定律、法拉第电磁感应定律，当然还有麦克斯韦的位移电流理论。例如，麦克斯韦的第一个方程实际上是库仑定律(静电相互作用)和法拉第电磁感应定律(磁场变化激发的电场)的推广另一个例子是麦克斯韦的第二个方程，它本质上是毕奥-萨伐尔定律(电流的磁效应)和位移电流定律(由电场变化激发的磁场)的广义形式

正是这个看似简单实则复杂的方程组，它统一了以前认为互不相关的电、磁、光现象，从而实现了经典物理的大综合。它建立了那些原本不相关的物理现象和定律之间的联系，并以数学方式表达了这些联系，使人们发现原来的光、电和磁遵循同样的物理定律，彻底改变了人们对电、磁和光的最初看法，完成了物理学的一场革命。爱因斯坦曾这样描述这场革命:“在我学生时代，最吸引人的主题是麦克斯韦理论。”从远距离力到作为基本量(参数)的场的变化使它看起来像一个革命性的理论。该理论将光学和电磁理论相结合，建立了光速与绝对静电和电磁单位系统之间的关系，折射率与介电常数之间的关系，以及物体反射率与金属电导率之间的定性关系——这就像一个启示“将光的现象归因于电磁现象在今天看来是简单而普遍的，但在那个时候，机械模型解释一切的机械论自然观根深蒂固，麦克斯韦的理论也非常新颖。

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