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历史的今天 - 13 Jun 2018 HEN 173530
1831年06月13日
经典电动力学创始人、统计物理学奠基人 詹姆斯克拉克麦克斯韦出生
经典电动力学创始人、统计物理学奠基人 詹姆斯克拉克麦克斯韦出生
1831年6月13日,英国物理学家、数学家、经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人之一詹姆斯克拉克麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831?1879),出生于苏格兰爱丁堡。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理,毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授,最后是在剑桥大学任教。1873年出版的《论电和磁》,也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。麦克斯韦被普遍认为是对物理学最有影响力的物理学家之一。没有电磁学就没有现代电工学,也就不可能有现代文明。
求学生涯
1846年智力发育格外早的麦克斯韦就向爱丁堡皇家学院递交了一份科研论文。1847年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,但并非死读书,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。
婚姻生活
1856年4月30日,詹姆斯克拉克麦克斯韦被任命为阿伯丁的马里沙尔学院自然哲学讲座教授。在阿伯丁,麦克斯韦认识了马沙尔学院院长的女儿凯瑟琳玛丽迪尤尔(Katherine Mary Dewar),凯瑟琳年长麦克斯韦七岁,美丽,身材比他略高,明朗坦率。
1858年2月18日,他写信给珍妮姨妈,把订婚的事情通知她说: 亲爱的姨妈:这封信要告诉你,我就要有妻子了。我没有完全写出她的整个质量,我觉得不合适;但我要告诉你的是,我们彼此需要,而且比我见到过的任何一对伴侣更知心。不用担心;
她不是学数学的;但是数学以外还有很多别的事情,而她并不想以数学取胜 所以,你现在知道她是谁了,她就是凯瑟琳玛丽迪尤尔(迄今为止叫这个名)。我听罗伯特舅舅谈到(间接地)她的那位院长父亲。她的母亲是一位上流社会夫人,安静而严谨,却总是以充满忍让的方式对待任何事物情况就是这样。我和她的事情已经定下来了,事事如意。这些都有保证,你会知道的。
在这首诗中,麦克斯韦真挚地表达了自己的情爱。1858年7月4日麦克斯韦与凯瑟琳马丽迪尤尔(Katherine Mary Dewar)(后来改为克拉克麦克斯韦姓即改为麦克斯韦的姓,取名凯瑟琳克拉克麦克斯韦,他们结婚时,她34岁--在维多利亚时代已经是一个老处女了。)正式结婚,婚礼在阿伯丁举行。
科学研究
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。
电磁情缘
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、电、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。人们已经知道磁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疑,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》。
一般认为麦克斯韦是从牛顿到爱因斯坦这一整个阶段中最伟大的理论物理学家。1879年他在48岁时因病与世长辞。他光辉的生涯就这样过早地结束了。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。麦克斯韦生前没有享受到他应得的荣誉,因为他的科学思想和科学方法的重要意义直到20世纪科学革命来临时才充分体现出来。然而他没能看到科学革命的发生。1879年11月5日,麦克斯韦因病在剑桥逝世,年仅48岁。那一年正好爱因斯坦出生。
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