物理群星
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 肖像

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

James Clerk Maxwell

1831–1879 · 生于苏格兰爱丁堡 · 英国

电磁学热学与统计

用一组方程统一电、磁与光的人

「我们几乎无法回避这样的推论:光,就是引起电现象与磁现象的同一介质中的横向波动。」

—— 《论物理力线》(1862)

人生时间线

  1. 1831

    生于爱丁堡,在苏格兰西南部乡间的格伦莱尔庄园长大

  2. 1846

    十四岁写出第一篇数学论文,由福布斯教授代为在爱丁堡皇家学会宣读

  3. 1854

    以数学荣誉考试第二名的成绩毕业于剑桥大学

  4. 1857

    以土星环稳定性研究获亚当斯奖——光环必定由无数小颗粒组成

  5. 1860

    提出气体分子速度分布律,出任伦敦国王学院教授

  6. 1862

    在《论物理力线》中算出电磁波的速度,发现它与光速吻合

  7. 1865

    发表《电磁场的动力学理论》,完整写下电磁场方程

  8. 1871

    出任剑桥首任卡文迪什实验物理学教授,主持筹建卡文迪什实验室

  9. 1879

    因腹部癌症在剑桥去世,年仅四十八岁

伟大发现

代表方程

真空中的麦克斯韦方程组

E=0B=0×E=Bt×B=μ0ε0Et\begin{aligned} \nabla \cdot \vec{E} &= 0 \\ \nabla \cdot \vec{B} &= 0 \\ \nabla \times \vec{E} &= -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \\ \nabla \times \vec{B} &= \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} \end{aligned}

四行方程讲了一个循环的故事:变化的磁场生出电场,变化的电场又生出磁场——两者互相催生、在空间中自行传播,这就是电磁波。

电磁波的速度

c=1μ0ε0c = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \varepsilon_0}}

用两个纯粹来自电学与磁学实验的常数,算出的波速恰好等于光速——光的真实身份由此揭晓。

1879 年,麦克斯韦在剑桥去世;同一年,爱因斯坦在德国乌尔姆出生。物理学史仿佛安排了一场无声的交接:正是麦克斯韦的电磁场方程,埋下了相对论的种子。后来,爱因斯坦的书房墙上挂着三幅画像——牛顿、法拉第,还有麦克斯韦。

「呆瓜」与十四岁的论文

麦克斯韦生于爱丁堡,在苏格兰西南部的格伦莱尔庄园长大。这个孩子见到什么都要追问「它是怎么动起来的」。进了爱丁堡公学,乡下口音和古怪的衣着让同学们送他一个外号:「呆瓜」(Dafty)。「呆瓜」十四岁就写出一篇研究卵形曲线画法的数学论文;因为作者年纪太小,只能由福布斯教授代他在爱丁堡皇家学会宣读。

土星环与分子的舞蹈

土星环是固体、液体,还是别的什么?1857 年,麦克斯韦用严密的力学分析摘得剑桥亚当斯奖:固态环会碎裂,液态环会散架,光环只可能是无数小颗粒组成的「碎石带」。一百多年后,「旅行者号」探测器飞掠土星,证实了这个用纸笔得出的答案。随后他把同样的眼光投向气体:单个分子的乱撞无法追踪,亿万个分子的整体却服从精确的统计规律。1860 年的麦克斯韦速度分布律是物理学第一条统计定律,温度与热从此有了分子层面的解释。

把法拉第的力线翻译成数学

数学家们轻视法拉第的力线,麦克斯韦却认定那些「图画」里藏着真理。他先用流体类比、再借助精巧的机械模型,把力线一步步翻译成微分方程,还补上了关键的一块拼图:变化的电场也会产生磁场。补上之后,方程立刻预言出一种以固定速度传播的波;用纯电磁实验测出的常数一算,这个速度与光速几乎严丝合缝。「我们几乎无法回避这样的推论」,他在 1862 年写道——光就是电磁波。1865 年,《电磁场的动力学理论》把这一切铸成完整的场方程;今天课本里四条简洁的矢量形式,是后来赫维赛德整理的。顺带一提:1861 年,他还依据自己的三原色理论主持拍摄了世界上第一张彩色照片。

未及看到的黎明

1871 年,麦克斯韦受邀出任剑桥首任卡文迪什实验物理学教授,一砖一瓦筹建起卡文迪什实验室——日后电子的发现、DNA 双螺旋的揭晓都将发生在那里。1879 年 11 月 5 日,他因腹部癌症去世,年仅四十八岁;他的母亲当年也是因同样的病、在同样的年纪离世的。他没能看到 1887 年赫兹在实验室里造出并接收电磁波,更没能看到无线电点亮的时代。爱因斯坦后来评价说,一个科学时代随麦克斯韦而终结,另一个科学时代随他而开启(大意)。

思想的传承

曾受影响于

深刻影响了

阿尔伯特·爱因斯坦 亨德里克·洛伦兹

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