詹姆斯.克拉克.麥克斯韋是誰？一位你或許從未聽說過的最偉大的物理學(xué)家

或許你從未聽說過他，但是，這位科學(xué)家改變了我們對光的理解。

圖：1875年繪制的詹姆斯.克拉克.麥克斯韋的肖像

每個(gè)人都是阿爾伯特.愛因斯坦的粉絲，并且擁有充分的理由：他開創(chuàng)了至少4個(gè)物理學(xué)新領(lǐng)域，并且通過他的想象力創(chuàng)造了一個(gè)新的引力理論，為我們揭開了時(shí)間和空間的真相。但是，你知道愛因斯坦又是誰的粉絲嗎？

詹姆斯.克拉克.麥克斯韋。

他是唯一一位能夠負(fù)責(zé)任的向你解釋你的車載收音機(jī)運(yùn)行原理的科學(xué)家，此外他還能向你解釋冰箱上的磁鐵原理，以及夏天的高溫和電池充電等問題。

大多數(shù)人并不熟悉麥克斯韋，他是19世紀(jì)蘇格蘭科學(xué)家和博學(xué)家。然而，他或許是他所屬時(shí)代唯一一位最偉大的科學(xué)家，并以所有人未曾預(yù)料的方式改變了物理學(xué)。事實(shí)上，麥克斯韋的同伴們在若干年后才意識到他令人驚嘆的成果。

當(dāng)時(shí)，科學(xué)界的興趣點(diǎn)主要聚焦于陌生且令人困惑的電磁特性。千禧年時(shí)，人類已經(jīng)了解電與磁背后的動力，但是，當(dāng)科學(xué)家對這些動力的研究越深入，他們的困惑也越多。

古人已經(jīng)知道，如果你觸摸電鰻，你將會被電到；如果你摩擦一些物質(zhì)，例如琥珀，這些物質(zhì)能夠?qū)ζ渌挛锂a(chǎn)生吸力。他們知道光能夠產(chǎn)生火。他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些稱作磁石的神奇石頭，這些石頭能夠吸附金屬屑。并且，他們已經(jīng)能夠熟練使用指南針，盡管他們并不知道指南針工作的原理。

當(dāng)麥克斯韋踏入這片領(lǐng)域時(shí)，科學(xué)界已經(jīng)開展了大量探索電磁動力的實(shí)驗(yàn)。包括本杰明.富蘭克林等科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光電能夠得到儲存。伽伐尼發(fā)現(xiàn)，電流可以使滅活生物體再次移動。

同時(shí)，法國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，電力能夠拖動金屬絲并且能根據(jù)磁極方向吸引或者排斥另一個(gè)金屬絲。帶電球體的吸引或排斥力與它們之間的距離平方成正比。

最令人困惑的是，電力與磁場之間似乎存在某種奇怪的聯(lián)系。帶電的金屬絲能夠使羅盤的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。啟動其中一條電線的電流將會刺激另一條線上的電流，即使這兩條電線并沒有連接在一起。磁場波動也會產(chǎn)生電力。

所有的現(xiàn)象都非常奇妙，但是沒有人知道接下來應(yīng)該怎么辦？

此后，麥克斯韋推動了這一事業(yè)的發(fā)展。當(dāng)時(shí)，他正在努力解決另一個(gè)關(guān)于色覺工作原理的難題，同時(shí)他也注意到了所有關(guān)于電力與磁力的困惑。（事實(shí)上，他發(fā)明了彩色照片）

幾年后，麥克斯韋提出了能夠解釋所有關(guān)于電力和磁場實(shí)驗(yàn)困惑的物理和數(shù)學(xué)公式。

為了解答這些問題，他必須像一個(gè)未來科學(xué)家那樣思考問題。

現(xiàn)在，現(xiàn)代物理學(xué)幾乎都建立在這一領(lǐng)域的概念之上，它橫跨所有時(shí)間和空間，解釋其他物體如何運(yùn)動。雖然，麥克斯韋并不是第一個(gè)提出這一概念的人，但是，他是第一個(gè)將這項(xiàng)研究運(yùn)用于實(shí)踐中，并將這一數(shù)學(xué)技巧轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)中的物理實(shí)體的人。

例如，麥克斯韋設(shè)想了通過電磁場將電力和磁力的動力聯(lián)系起來的場景。他說，釋放的電子能夠其自身周圍產(chǎn)生電力場。任何其他釋放的電子能夠感應(yīng)到這一場域，并能根據(jù)這一場域的強(qiáng)度和方向與釋放源的動力進(jìn)行回應(yīng)。

麥克斯韋進(jìn)一步指出，磁場也具有同樣的原理。他意識到，電場與磁場就像一枚硬幣的兩面：電力和磁力不是相互分離、區(qū)分明顯的兩種力，僅僅是同一事物的兩種表述。它們都是電磁力。你不能從兩個(gè)不同的方向來單獨(dú)思考電力或磁力。

麥克斯韋的洞見形成了20個(gè)相互聯(lián)系的公式，幾年后，這些公式仍剩下4個(gè)有待當(dāng)今科學(xué)家和工程師解答。麥克斯韋革命緊隨艾薩克.牛頓首次實(shí)現(xiàn)物理學(xué)統(tǒng)一之后，牛頓的物理學(xué)提出地球引力時(shí)宇宙引力的一部分，遵循著唯一的法則。而麥克斯韋公式則被稱為第二次實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的統(tǒng)一。

麥克斯韋的洞見是偉大的——有誰曾質(zhì)疑電力和磁力不是相互聯(lián)系的，而是同一事物？現(xiàn)代物理學(xué)是關(guān)于尋找一個(gè)統(tǒng)一原則以解釋廣闊的自然現(xiàn)象的學(xué)科，而麥克斯韋則在另一個(gè)層面實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。

但是，麥克斯韋并不就此停步。他意識到，改變電力場域會影響磁場，反之亦然。因此，他立即想到，是否能夠?qū)崿F(xiàn)電力場域的自我強(qiáng)化，即先改變電力場域引發(fā)磁場的改變，之后再通過變化的磁場引發(fā)電場變化等等。

麥克斯韋意識到，這可能會產(chǎn)生一條電磁波。他借助電力和磁力的強(qiáng)度計(jì)算了這些電磁波的速度，得出了近乎光速的值。

麥克斯韋通過引入電磁場概念，發(fā)現(xiàn)無論何種形式的光，包括紅外線、無線電波亦或是彩虹，其本質(zhì)上是電磁輻射波。

借助一個(gè)公式、一個(gè)直覺和洞察力的飛躍，麥克斯韋實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)、電力學(xué)、磁光學(xué)三大偉大領(lǐng)域的統(tǒng)一。難怪愛因斯坦崇拜他！

By: Paul Sutter

FY: 秋

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