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經(jīng)典電磁理論的創(chuàng)始人 麥克斯韋 麥克斯韋 JamesClerkMaxwell 英國物理學(xué)家 數(shù)學(xué)家 1831年6月13日生于蘇格蘭 愛丁堡的一戶名門望族 他的父親的職業(yè)雖是律師 但他的主要興趣卻是在制作各種機械和研究科學(xué)問題 他這種對科學(xué)技術(shù)的強烈愛好 對麥克斯韋一生有深刻的影響 8歲時 母親去世 麥克斯韋在父親的誘導(dǎo)下學(xué)習(xí)科學(xué) 10歲進入愛丁堡中學(xué) 14歲在中學(xué)時期就發(fā)表了第一篇科學(xué)論文 論卵形曲線的機械畫法 反映了他在幾何和代數(shù)方面的豐富知識 16歲進入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)物理 三年后 即1850年 他轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院研習(xí)數(shù)學(xué) 正是在劍橋?qū)W習(xí)期間 為他打下了扎實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 為他爾后把數(shù)學(xué)分析和實驗研究緊密結(jié)合創(chuàng)造了條件 生平介紹 麥克斯韋大約于1855年開始研究電磁學(xué) 在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思想之后 堅信法拉第的新理論包含著真理 于是他抱著給法拉第的理論 提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ) 的愿望 決心把法拉第的天才思想以清晰準確的數(shù)學(xué)形式表示出來 他在前人成就的基礎(chǔ)上 對整個電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng) 全面的研究 憑借他高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力接連發(fā)表了電磁場理論的三篇論文 論法拉第的力線 1855年12月至1856年2月 論物理的力線 1861至1862年 電磁場的動力學(xué)理論 1864年12月8日 對前人和他自己的工作進行了綜合概括 將電磁場理論用簡潔 對稱 完美數(shù)學(xué)形式表示出來 經(jīng)后人整理和改寫 成為經(jīng)典電動力學(xué)主要基礎(chǔ)的麥克斯韋方程組 雖然麥克斯韋成名主要是在于他對電磁學(xué)和光學(xué)做出的巨大貢獻 但是他對許多其它學(xué)科也做出了重要的貢獻 其中包括天文學(xué)和熱力學(xué) 他的特殊興趣之一是氣體運動學(xué) 麥克斯韋認識到并非所有的氣體分子都按同一速度運動 有些分子運動慢 有些分子運動快 有些以極高速度運動 麥克斯韋推導(dǎo)出了求已知氣體中的分子按某一速度運動的百分比公式 這個公式叫做 麥克斯韋分布式 是應(yīng)用最廣泛的科學(xué)公式之一 在許多物理分支中起著重要的作用 研究領(lǐng)域 麥克斯韋主要從事電磁理論 分子物理學(xué) 統(tǒng)計物理學(xué) 光學(xué) 力學(xué) 彈性理論方面的研究 尤其是他建立的電磁場理論 將電學(xué) 磁學(xué) 光學(xué)統(tǒng)一起來 是19世紀物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果 是科學(xué)史上最偉大的綜合之一 他預(yù)言了電磁波的存在 這種理論遇見后來得到了充分的實驗驗證 他為物理學(xué)樹起了一座豐碑 造福于人類的無線電技術(shù) 就是以電磁場理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的 電磁學(xué)研究 回顧電磁學(xué)的歷史 物理學(xué)的歷程一直到1820年的時候都是以牛頓的物理學(xué)思想為基礎(chǔ)的 自然界的 力 熱 電 光 磁以及化學(xué)作用正在被逐漸歸結(jié)為一系列流體的粒子間的瞬時吸引或排斥 人們已經(jīng)知道磁和靜電遵守類似引力定律的平方反比定律 在19世紀以前的40年中 出現(xiàn)了一種反對這種觀點的動向 這種觀點贊成 力的相關(guān) 1820年 奧斯特發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象馬上成了這種新趨勢的第一個證明和極為有力的推動力 但當時的人又對此捉摸不定和感到困惑 奧斯特所觀察到的電流與磁體間的作用有兩個基本點不同于已知的現(xiàn)象 它是由運動的電顯示出來的 而且磁體既不被引向帶電流的金屬線 也不被它推開 而是對于它橫向定位 同一年 法國科學(xué)家安培用數(shù)學(xué)方法總結(jié)了奧斯特的發(fā)現(xiàn) 并創(chuàng)立了電動力學(xué) 此后 安培和他的追隨者們便力圖使電磁的作用與有關(guān)瞬時的超距作用的現(xiàn)存見解調(diào)和起來 前人的研究 奧斯特 安培 麥克斯韋的電學(xué)研究始于1854年 當時他剛從劍橋畢業(yè)不過幾星期 他讀到了法拉第的 電學(xué)實驗研究 立即被書中新穎的實驗和見解吸引住了 在當時人們對法拉第的觀點和理論看法不一 有不少非議 最主要原因就是當時 超距作用 的傳統(tǒng)觀念影響很深 另一方面的原因就是法拉第的理論的嚴謹性還不夠 法拉第是實驗大師 有著常人所不及之處 但唯獨欠缺數(shù)學(xué)功力 所以他的創(chuàng)見都是以直觀形式來表達的 一般的物理學(xué)家恪守牛頓的物理學(xué)理論 對法拉第的學(xué)說感到不可思議 有位天文學(xué)家曾公開宣稱 誰要在確定的超距作用和模糊不清的力線觀念中有所遲疑 那就是對牛頓的褻瀆 在劍橋的學(xué)者中 這種分歧也相當明顯 湯姆遜也是劍橋里一名很有見識的學(xué)者之一 麥克斯韋對他敬佩不已 特意給湯姆遜寫信 向他求教有關(guān)電學(xué)的知識 湯姆遜比麥克斯韋大7歲 對麥克斯韋從事電學(xué)研究給予過極大的幫助 在湯姆遜的指導(dǎo)下 麥克斯韋得到啟示 相信法拉第的新論中有著不為人所了解的真理 認真地研究了法拉第的著作后 他感受到力線思想的寶貴價值 也看到法拉第在定性表述上的弱點 于是這個剛剛畢業(yè)的青年科學(xué)家決定用數(shù)學(xué)來彌補這一點 1855年麥克斯韋發(fā)表了第一篇關(guān)于電磁學(xué)的論文 論法拉第的力線 繼承與創(chuàng)新 力線理論 1862年 麥克斯韋完成了論文 論物理的力線 麥克斯韋的物理力線理論就在于把磁場中的轉(zhuǎn)動這一假說從尋常的物質(zhì)推廣到了以太 他考慮了深置于不可壓縮流體中渦旋的排列 在正常情況下 壓強在各方向是相同的 但轉(zhuǎn)動引起的離心力使每一渦旋發(fā)生縱向收縮并施加經(jīng)向壓強 這正模擬了法拉第力線學(xué)說中所提的應(yīng)力分布 由于使每一渦旋的角速度同局部磁場強度成正比 麥克斯韋得出了同已有的關(guān)于磁體 穩(wěn)恒電流及抗磁體之間力的理論完全相同的公式 根據(jù)流體的觀察實驗 麥克斯韋認為各渦旋之所以能沿同一指向自由轉(zhuǎn)動 是因為各渦旋由一層微小的粒子同與它相鄰的渦旋格開 這種粒子與電完全相同 1863年 他在別人的幫助下完成了他的第三篇論文 論電學(xué)量的基本關(guān)系 這是麥克斯韋電學(xué)研究中邁出的重要一步 在以往卻常常被人忽視 在這篇論文里 他推廣傅立葉在熱的理論中開始的程序 宣布了同質(zhì)量 長度 時間度有關(guān)的電學(xué)量和磁學(xué)量的定義 以便于提供對那種二元的電學(xué)單位制的第一個最完整透徹的說明 他引入了成為標準的記號 把量綱關(guān)系表示為用括弧括起來的質(zhì)量 長度 時間量度的冪的乘積 帶有各自的無量綱的乘數(shù) 在這一年 麥克斯韋已經(jīng)找到了在電磁量與光速之間的一個純唯象性質(zhì)的環(huán)節(jié) 透過鐵粉顯示出的磁力線 分子渦流模型示意圖 均勻磁場的磁力線從顯示器往外指出 以黑色矢點表示 1865年他發(fā)表了第四篇論文 電磁場的動力學(xué)理論 為解決與光速之間的純唯象問題提供了一個新的理論框架 它以實驗和幾個普遍的動力學(xué)原理為根據(jù) 證明了不需要任何有關(guān)分子渦旋或電粒子之間的力的專門假設(shè) 電磁波在空間的傳播就會發(fā)生 在這篇論文中 麥克斯韋完善了他的方程式 他采用拉格朗日和哈密頓創(chuàng)立的數(shù)學(xué)方法 由該方程組直接導(dǎo)出了電場和磁場的波動方程 其波動的傳播速度為一個介電系數(shù)和導(dǎo)磁系數(shù)的幾何平均的倒數(shù) 這一速度正當?shù)扔诠馑?這一結(jié)果又再一次與麥克斯韋四年以前的推算結(jié)果完全一致 至此電磁波的存在是確定無疑的了 由此 麥克斯韋大膽的斷定 光也是一種電磁波 法拉第當年關(guān)于光的電磁論的朦朧猜想 經(jīng)過麥克斯韋精心地計算而變成為科學(xué)的推論 法拉第與麥克斯韋的名字 從此像牛頓與伽利略的名字一樣 聯(lián)系在一起 在物理學(xué)上閃爍著永久的光芒 麥克斯韋在一封信上曾談及他的這篇論文 他說 我在完成一篇包含光的電磁理論 在我確信相反的理論產(chǎn)生以前 我認為這個理論是強大的武器 從1865年開始 麥克斯韋辭去了皇家學(xué)院的教席 開始潛心進行科學(xué)研究 系統(tǒng)地總結(jié)研究成果 撰寫電磁學(xué)專著 電磁專著 經(jīng)過了八年的艱苦努力 1873年麥克斯韋的一部電磁學(xué)專著終于問世了 書名叫作 電磁學(xué)通論 在 電磁學(xué)通論 中 麥克斯韋比以前更為徹底地應(yīng)用了拉格朗日的方程 推廣了動力學(xué)的形式體系 這一時期前后 英國和歐洲大陸的數(shù)學(xué)家中間普遍傾向于更廣泛地在物理學(xué)問題中使用分析動力學(xué)的方法 麥克斯韋的做法與數(shù)學(xué)家的方法不謀而合 而且他的方法和見地新穎 使很多人為之吸引 通過把這種流行的研究傾向動用于電磁學(xué) 他使時尚變成了他特有的結(jié)果 麥克斯韋采用風(fēng)格極為新式的關(guān)于項的對稱性與矢量結(jié)構(gòu)的論證 以最普遍的形式表示出電磁系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù) 麥克斯韋對拉格朗日方法的運用 就其幾乎是通往物理學(xué)理論的一條新途徑來說 這是第一次嘗試 過了很多年 其他物理學(xué)家才充分地運用這一方法來研究電磁學(xué)領(lǐng)域 電磁學(xué)通論 是一部經(jīng)典的電磁理論著作 在這本大部頭的著作中 麥克斯韋系統(tǒng)地總結(jié)了人類在19世紀中葉前后對電磁現(xiàn)象的探索研究軌跡 其中包括庫侖 安培 奧斯特 法拉第等人的不可磨滅的功績 更為細致 系統(tǒng)地概括了他本人的創(chuàng)造性努力的結(jié)果和成就 從而建立起完整的電磁學(xué)理論 電磁通論 封面 四元方程組 麥克斯韋由于列出了表達電磁基本定律的四元方程組而聞名于世 在麥克斯韋以前的許多年間 人們就對電和磁這兩個領(lǐng)域進行了廣泛的研究 人們都知道這兩者是密切相關(guān)的 適用于特定場合的各種電磁定律已被發(fā)現(xiàn) 但是在麥克斯韋之前卻沒有形成完整 統(tǒng)一的學(xué)說 麥克斯韋用列出的簡短四元方程組 實際上非常復(fù)雜 準確地描繪出電磁場的特性及其相互作用的關(guān)系 這樣他就把混亂紛紜的現(xiàn)象歸納成為一種統(tǒng)一完整的學(xué)說 麥克斯韋方程在理論和應(yīng)用科學(xué)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用了一個世紀了 麥克斯韋方程的最大優(yōu)點在于它的通用性 它在任何情況下都可以應(yīng)用 在此以前所有的電磁定律都可由麥克斯韋方程推導(dǎo)出來 許多從前沒能解決的未知數(shù)也能從方程推導(dǎo)過程中尋出答案 麥克斯韋方程表明與可見光的波長和頻率不同的其它電磁波也可能存在 這些從理論上得出的結(jié)論后來被海因利茨 赫茲公開演示證明了 赫茲不僅生產(chǎn)出而且檢驗出了麥克斯韋預(yù)言存在的不可見光波 幾年以后 伽格利耶爾摩 馬可尼證明這些不可見光波可以用于無線電通訊 無線電隨之問世 今天我們也用不可見光為電視通訊 X線 線 紅外線 紫外線都是電磁波輻射的其它一些例子 所有這些射線都可以用麥克斯韋方程來加以研究 紀念郵票 TheEnd