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麦克斯韦

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概述编辑本段回目录

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦麦克斯韦
 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,伟大的英国物理学家,他由于列出了表达电磁基本定律的四元方程组而闻名于世,在麦克斯韦以前的许多年间,人们就对电和磁这两个领域进行了广泛的研究,人们都知道这两者是密切相关的。适用于特定场合的各种电磁定律已被发现,但是在麦克斯韦之前却没有形成完整、统一的学说。麦克斯韦用列出的简短四元方程组(但却非常复杂),就可以准确地描绘出电磁场的特性及其相互作用的关系。麦克斯韦的主要贡献是建立了麦克斯韦方程组,创立了经典电动力学,并且预言了电磁波的存在,提出了光的电磁说。麦克斯韦是电磁学理论的集大成者。他出生于电磁学理论奠基人法拉第提出电磁感应定理的1831年,后来又与法拉第结成忘年之交,共同构筑了电磁学理论的科学体系。物理学历史上认为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器时代奠定了基石。1931年,爱因斯坦在麦克斯韦百年诞辰的纪念会上,评价其建树“是牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。”

主要简历编辑本段回目录

1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡,自幼聪颖,父亲是个知识渊博的律师,使麦克斯韦从小受到良好的教育。10岁时进入爱丁堡中学学习14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文,已显露出出众的才华。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习,1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金,毕业留校任职两年。1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果,完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》,并于1873年出版,1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授,负责筹建著名的卡文迪什实验室,1874年建成后担任这个实验室的第一任主任,直到1879年11月5日在剑桥逝世。

科学研究编辑本段回目录

麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术,就是以电磁场理论为基础发展起来的。麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学,在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后,坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望,决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。他在前人成就的基础上,对整个电磁现象作了系统、全面的研究,凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文:《论法拉第的力线》(1855年12月至1856年2月);《论物理的力线》(1861至1862年);《电磁场的动力学理论》(1864年12月8日)。对前和他自己的工作进行了综合概括,将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来,经后人整理和改写,成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。据此,1865年他预言了电磁波的存在,电磁波只可能是横波,并计算了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,揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。

麦克斯韦于1873年出版了科学名著《电磁理论》。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献,他是气体动理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律,从而找到了由微观两求统计平均值的更确切的途径。1866年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法,这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的。他引入了驰豫时间的概念,发展了一般形式的输运理论,并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年引入了“统计力学”这个术语。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师,他非常重视实验,由他负责建立起来的卡文迪什实验室,在他和以后几位主任的领导下,发展成为举世闻名的学术中心之一。

家庭环境编辑本段回目录

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1831年11月13日生于苏格兰古都爱丁堡,麦克斯韦的父亲约翰是一名不随流俗的机械设计师,他对麦克斯韦的影响非常大。他是长老会教友,但思路开阔,思想敏锐,讲求实际,特别能干。家里的事情,不分巨细,他都料理得很好。修缮房屋,打扫庭院,给孩子们制做玩具,乃至裁剪衣服,他样样都能胜任。1847年,麦克斯韦16岁,中学毕业,进入爱丁堡大学学习。这里是苏格兰的最高学府。他是班上年纪最小的学生,但考试成绩却总是名列前茅。他在这里专攻数学物理,并且显示出非凡的才华。他读书非常用功,但并非死读,在学习之余他仍然写诗,不知满足地读课外书,积累了相当广泛的知识。

在爱丁堡大学,麦克斯韦获得了攀登科学高峰所必备的基础训练。其中两个人对他影响最深,一是物理学家和登山家福布斯,一是逻辑学和形而上学教授哈密顿。福布斯是一个实验家,他培养了麦克斯韦对实验技术的浓厚兴趣,一个从事理论物理的人很难有这种兴趣。他强制麦克斯韦写作要条理清楚,并把自己对科学史的爱好传给麦克斯韦。哈密顿教授则用广博的学识影响着他,并用出色的怪异的批评能力刺激麦克斯韦去研究基础问题。在这些有真才实学的人的影响下,加上麦克斯韦个人的天才和努力,麦克斯韦的学识一天天进步,他用三年时间就完成了四年的学业,相形之下,爱丁堡大学这个摇篮已经不能满足麦克斯韦的求知欲。为了进一步深造,1850年,他征得了父亲的同意,离开爱丁堡,到人才济济的剑桥去求学。

赫兹是德国的一位青年物理学家。麦克斯韦的《电磁学通论》发表之时,他只16岁。在当时的德国,人们依然固守着牛顿的传统物理学观念,法拉第、麦克斯韦的理论对物质世界进行了崭新的描绘,但是违背了传统,因此在德国等欧洲中心地带毫无立足之地,甚而被当成奇谈怪论。当时支持电磁理论研究的,只有波尔茨曼和赫尔姆霍茨。赫兹后来成了赫姆霍茨的学生。在老师的影响下,赫兹对电磁学进行了深入的研究,在进行了物理事实的比较后,他确认,麦克斯韦的理论比传统的“超距理论”更令人信服。于是他决定用实验来证实这一点。1886年,赫兹经过反复实验,发明了一种电波环,用这种电波环作了一系列的实验,终于在1888年发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实验公布后,轰动了全世界的科学界,由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论,至此取得了决定性的胜利。麦克斯韦的伟大遗愿终于实现了。

土星光环编辑本段回目录

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

早在1787年,拉普拉斯进行过把土星光环作为固体研究的计算。当时他曾确定,土星光环作为一个均匀的刚性环,它不会瓦解的原因要满足两个条件,一是它以一种使离心力与土星引力相平衡的速度运转,二是光环的密度与土星的密度之比超过临界值0.8,从而使环的内层与外层之间的引力超过在不同半径处离心力与万有引力之差。他之所以有如此推论,是因为,一个均匀环的运动在动力学上是不稳定的,任何轻微的破坏平衡的位移都会导致环的运动被破坏,使光环落向土星。拉普拉斯推测,土星光环是一个质量分布不规则的固体环。

到了1855年,理论仍然停留在此,而这中间,人们又观测到了土星的一个新的暗环,和现在环中更进一步的分离现象,还有光环系统自从被发现以来二百年间整体尺度的缓慢变化。因此,一些科学家们提出了一个假说,来解释土星光环在动力学上的稳定性,这个假说是:土星光环是:由固体流体和大量并非相互密集的物质构成的。麦克斯韦就根据这一假说进行了论述。他首先着手的是拉普拉斯留下的固体环理论,并确定了一个任意形状环的稳定性条件。麦克斯韦依据环在土星中心造成的势,列出了运动方程式,获得了对匀速运动的势的一阶导数的两个限制,然后由泰勒展开式又得到关于稳定运动二阶导数的三个条件。麦克斯韦又把这些结果换成关于质量分布的傅立叶级数的前三个系数的条件。因而他证明了,除非有一种奇妙的特殊情形,几乎每个可以想象的环都是不稳定的。这种特殊的情形是指一个均匀环在一点上承载的质量介于剩余质量的4.43倍到4.67倍之间。但是这种特殊情况的固体环在不均匀的应力下会瓦解掉,所以固体环的理论假说是不能成立的。

麦克斯韦早在1849年在爱丁堡的福布斯实验室就开始了色混合实验。在那个时候,爱丁堡有许多研究颜色的学者,除了福布斯、威尔逊和布儒斯特外,还有一些对眼睛感兴趣的医生和科学家。实验主要就是在于观察一个快速旋转圆盘上的几个着色扇形所生成的颜色。麦克斯韦和福布斯首先做出的一个实验是使红、黄、蓝组合产生灰色。他们的实验失败了,而其中的主要原因是:蓝与黄混合并不象常规那样生成绿色,而是当两者都不占优势时产生一种淡红色,这种组合加上红色不可能产生任何灰色。

麦克斯韦起初想到他的母校爱丁堡大学去谋职,因为那里他的老师福布斯已退职,需要一个自然哲学教授。同时应选的有三个人,校方决定用考试来决定录用谁。在笔试方面;麦克斯韦的学问理所当然是第一,但是在口才上,麦克斯韦再次吃了亏。考试结果,麦克斯韦是最后一名,他的讲课能力实在太差了。当时甚至爱丁堡的一家杂志都发表评论文章,为爱丁堡大学失去这样一个人才而惋惜。不过被选上的人也不差,那就是他中学和大学的同学泰特。麦克斯韦离开阿伯丁,又因此离开家乡爱丁堡,他被聘为伦敦皇家学院的教授,妻子也一同前往。麦克斯韦于是开始了新的生活,在伦敦皇家学院,他完成了可以使他最终在物理学史上发射出光芒的电磁学理论。

电磁情缘编辑本段回目录

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
回顾电磁学的历史,物理学的历程一直到1820年的时候都是以牛顿的物理学思想为基础的。自然界的“力”——热、、光、磁以及化学作用正在被逐渐归结为一系列流体的粒子间的瞬时吸引或排斥。人们已经知道和静电遵守类似引力定律的平方反比定律。在19世纪以前的40年中,出现了一种反对这种观点的动向,这种观点赞成“力的相关”。1820年,奥斯特发现的电磁现象马上成了这种新趋势的第一个证明和极为有力的推动力,但当时的人又对此捉摸不定和感到困惑。奥斯特所观察到的电流与磁体间的作用有两个基本点不同于已知的现象:它是由运动的电显示出来的,而且磁体既不被引向带电流的金属线,也不被它推开,而是对于它横向定位。同一年,法国科学家安培用数学方法总结了奥斯特的发现,并创立了电动力学,此后,安培和他的追随者们便力图使电磁的作用与有关瞬时的超距作用的现存见解调和起来。

麦克斯韦的电学研究始于1854年,当时他刚从剑桥毕业不过几星期。他读到了法拉第的《电学实验研究》,立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。在当时人们对法拉第的观点和理论看法不一,有不少非议。最主要原因就是当时“超距作用”的传统观念影响很深。另一方面的原因就是法拉第的理论的严谨性还不够。法拉第是实验大师,有着常人所不及之处,但唯独欠缺数学功力,所以他的创见都是以直观形式来表达的。一般的物理学家恪守牛顿的物理学理论,对法拉第的学说感到不可思议。有位天文学家曾公开宣称:“谁要在确定的超距作用和模糊不清的力线观念中有所迟颖,那就是对牛顿的亵渎!”在剑桥的学者中,这种分歧也相当明显。汤姆逊也是剑桥里一名很有见识的学者之一。麦克斯韦对他敬佩不已,特意给汤姆逊写信,向他求教有关电学的知识。汤姆逊比麦克斯韦大7岁,对麦克斯韦从事电学研究给予过极大的帮助。在汤姆逊的指导下,麦克斯韦得到启示,相信法拉第的新论中有着不为人所了解的真理。认真地研究了法拉第的著作后,他感受到力线思想的宝贵价值,也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕业的青年科学家决定用数学来弥补这一点。1855年麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》。

力线理论编辑本段回目录

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦麦克斯韦电磁方程组

1862年,麦克斯韦完成了论文《论物理的力线》,麦克斯韦的物理力线理论就在于把磁场中的转动这一假说从寻常的物质推广到以太。他考虑了深置于不可压缩流体中涡旋的排列。在正常情况下,压强在各方向是相同的,但转动引起的离心力使每一涡旋发生纵向收缩并施加经向压强,这正模拟了法拉第力线学说中所提的应力分布。由于使每一涡旋的角速度同局部磁场强度成正比,麦克斯韦得出了同已有的关于磁体、稳恒电流及抗磁体之间力的理论完全相同的公式。根据流体的观察实验,麦克斯韦认为各涡旋之所以能沿同一指向自由转动,是因为各涡旋由一层微小的粒子同与它相邻的涡旋格开,这种粒子与电完全相同。

然而麦克斯韦并未满足自己已有的成果而举足不前,他仍然向电磁学领域的更深处前进。1863年,他在别人的帮助下完成了他的第三篇论文《论电学量的基本关系》,这是麦克斯韦电学研究中迈出的重要一步,在以往却常常被人忽视。在这篇论文里,他推广傅立叶在热的理论中开始的程序,宣布了同质量、长度、时间度有关的电学量和磁学量的定义,以便于提供对那种二元的电学单位制的第一个最完整透彻的说明。他引入了成为标准的记号,把量纲关系表示为用括弧括起来的质量、长度、时间量度的幂(音mì)的乘积,带有各自的无量纲的乘数。在这一年,麦克斯韦已经找到了在电磁量与光速之间的一个纯唯象性质的环节。

1865年他发表了第四篇论文《电磁场的动力学理论》,为解决与光速之间的纯唯象问题提供了一个新的理论框架。它以实验和几个普遍的动力学原理为根据,证明了不需要任何有关分子涡旋或电粒子之间的力的专门假设,电磁波在空间的传播就会发生。在这篇论文中,麦克斯韦完善了他的方程式。他采用拉格朗日和哈密顿创立的数学方法,由该方程组直接导出了电场和磁场的波动方程,其波动的传播速度为一个介电系数和导磁系数的几何平均的倒数,这一速度正当等于光速。这一结果又再一次与麦克斯韦四年以前的推算结果完全一致。至此电磁波的存在是确定无疑的了。由此,麦克斯韦大胆的断定,光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁论的朦胧猜想,经过麦克斯韦精心地计算而变成为科学的推论,法拉第与麦克斯韦的名字,从此像牛顿与伽利略的名字一样,联系在一起,在物理学上闪烁着永久的光芒。麦克斯韦在一封信上曾谈及他的这篇论文,他说:“我在完成一篇包含光的电磁理论,在我确信相反的理论产生以前,我认为这个理论是强大的武器。”从1865年开始,麦克斯韦辞去了皇家学院的教席,开始潜心进行科学研究,系统地总结研究成果,撰写电磁学专著。

电磁专著编辑本段回目录

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
经过了八年的艰苦努力,1873年麦克斯韦的一部电磁学专著终于问世了,书名叫作《电磁学通论》。在《电磁学通论》中,麦克斯韦比以前更为彻底地应用了拉格朗日的方程,推广了动力学的形式体系。这一时期前后,英国和欧洲大陆的数学家中间普遍倾向于更广泛地在物理学问题中使用分析动力学的方法,麦克斯韦的做法与数学家的方法不谋而合。而且他的方法和见地新颖,使很多人为之吸引。通过把这种流行的研究倾向动用于电磁学,他使时尚变成了他特有的结果。麦克斯韦采用风格极为新式的关于项的对称性与矢量结构的论证,以最普遍的形式表示出电磁系统的拉格朗日函数。麦克斯韦对拉格朗日方法的运用,就其几乎是通往物理学理论的一条新途径来说,这是第一次尝试。过了很多年,其他物理学家才充分地运用这一方法来研究电磁学领域。

《电磁学通论》是一部经典的电磁理论著作,在这本大部头的著作中,麦克斯韦系统地总结了人类在19世纪中叶前后对电磁现象的探索研究轨迹,其中包括库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的不可磨灭的功绩,更为细致、系统地概括了他本人的创造性努力的结果和成就,从而建立起完整的电磁学理论。这部巨著有着非同小可的历史意义,可与牛顿的《数学原理》(力学)、达尔文的《物种起源》(生物学)相提并论。从安培、奥斯特,经法拉第、汤姆逊最后到麦克斯韦,通过几代人的不懈努力,电磁理论的宏伟大厦,终于建立起来。这本书的出版,理所当然地成了物理学界的一件大事,当时麦克斯韦只有42岁,已经回到剑桥任实验物理学的教授。人们早已通过他以前的几篇卓有见地的论文而熟识了他,他的朋友和学生以及科学界的人士对他的这本书更是期待已久,争相到各地书店去购买,以求先睹为快,所以书的第一版很快就被抢购一空。

麦克斯方程编辑本段回目录

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦麦克斯韦速率分布曲线
麦克斯韦方程的最大优点在于它的通用性,它在任何情况下都可以应用。在此以前所有的电磁定律都可由麦克斯韦方程推导出来,许多从前没能解决的未知数也能从方程推导过程中寻出答案。

这些新成果中最重要的是由麦克斯韦自己推导出来的。根据他的方程可以证明出电磁场的周期振荡的存在。这种振荡叫电磁波,一旦发出就会通过空间向外传播。根据方程,麦克斯韦就可以表达出电磁波的速度接近300000公里(186000英里)/秒,麦克斯韦认识到这同所测到的光速是一样的。由此他得出光本身是由电磁波构成的这一正确结论。因此,麦克斯韦方程不仅是电磁学的基本定律,也是光学的基本定律。的确如此,所有先前已知的光学定律可以由方程导出,许多先前未发现的事实和关系也可由方程导出。

可见光并不是唯一的一种电磁幅射。麦克斯韦方程表明与可见光的波长和频率不同的其它电磁波也可能存在。这些从理论上得出的结论后来被海因利茨·赫兹公开演示证明了。赫兹不仅生产出而且检验出了麦克斯韦预言存在的不可见光波。几年以后,伽格利耶尔摩·马可尼证明这些不可见光波可以用于无线电通讯,无线电随之问世。今天我们也用不可见光为电视通讯。X线、γ线、红外线、紫外线都是电磁波幅射的其它一些例子。所有这些射线都可以用麦克斯韦方程来加以研究。

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