詹姆斯.克拉克.麦克斯韦是谁?一位你或许从未听说过的最伟大的物理学家

或许你从未听说过他,但是,这位科学家改变了我们对光的理解。

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图:1875年绘制的詹姆斯.克拉克.麦克斯韦的肖像

每个人都是阿尔伯特.爱因斯坦的粉丝,并且拥有充分的理由:他开创了至少4个物理学新领域,并且通过他的想象力创造了一个新的引力理论,为我们揭开了时间和空间的真相。但是,你知道爱因斯坦又是谁的粉丝吗?

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詹姆斯.克拉克.麦克斯韦。

他是唯一一位能够负责任的向你解释你的车载收音机运行原理的科学家,此外他还能向你解释冰箱上的磁铁原理,以及夏天的高温和电池充电等问题。

大多数人并不熟悉麦克斯韦,他是19世纪苏格兰科学家和博学家。然而,他或许是他所属时代唯一一位最伟大的科学家,并以所有人未曾预料的方式改变了物理学。事实上,麦克斯韦的同伴们在若干年后才意识到他令人惊叹的成果。

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当时,科学界的兴趣点主要聚焦于陌生且令人困惑的电磁特性。千禧年时,人类已经了解电与磁背后的动力,但是,当科学家对这些动力的研究越深入,他们的困惑也越多。

古人已经知道,如果你触摸电鳗,你将会被电到;如果你摩擦一些物质,例如琥珀,这些物质能够对其他事物产生吸力。他们知道光能够产生火。他们已经发现了一些称作磁石的神奇石头,这些石头能够吸附金属屑。并且,他们已经能够熟练使用指南针,尽管他们并不知道指南针工作的原理。

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当麦克斯韦踏入这片领域时,科学界已经开展了大量探索电磁动力的实验。包括本杰明.富兰克林等科学家已经发现,光电能够得到储存。伽伐尼发现,电流可以使灭活生物体再次移动。

同时,法国科学家发现,电力能够拖动金属丝并且能根据磁极方向吸引或者排斥另一个金属丝。带电球体的吸引或排斥力与它们之间的距离平方成正比。

最令人困惑的是,电力与磁场之间似乎存在某种奇怪的联系。带电的金属丝能够使罗盘的指针发生偏转。启动其中一条电线的电流将会刺激另一条线上的电流,即使这两条电线并没有连接在一起。磁场波动也会产生电力。

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所有的现象都非常奇妙,但是没有人知道接下来应该怎么办?

此后,麦克斯韦推动了这一事业的发展。当时,他正在努力解决另一个关于色觉工作原理的难题,同时他也注意到了所有关于电力与磁力的困惑。(事实上,他发明了彩色照片)

几年后,麦克斯韦提出了能够解释所有关于电力和磁场实验困惑的物理和数学公式。

为了解答这些问题,他必须像一个未来科学家那样思考问题。

现在,现代物理学几乎都建立在这一领域的概念之上,它横跨所有时间和空间,解释其他物体如何运动。虽然,麦克斯韦并不是第一个提出这一概念的人,但是,他是第一个将这项研究运用于实践中,并将这一数学技巧转化为现实中的物理实体的人。

例如,麦克斯韦设想了通过电磁场将电力和磁力的动力联系起来的场景。他说,释放的电子能够其自身周围产生电力场。任何其他释放的电子能够感应到这一场域,并能根据这一场域的强度和方向与释放源的动力进行回应。

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麦克斯韦进一步指出,磁场也具有同样的原理。他意识到,电场与磁场就像一枚硬币的两面:电力和磁力不是相互分离、区分明显的两种力,仅仅是同一事物的两种表述。它们都是电磁力。你不能从两个不同的方向来单独思考电力或磁力。

麦克斯韦的洞见形成了20个相互联系的公式,几年后,这些公式仍剩下4个有待当今科学家和工程师解答。麦克斯韦革命紧随艾萨克.牛顿首次实现物理学统一之后,牛顿的物理学提出地球引力时宇宙引力的一部分,遵循着唯一的法则。而麦克斯韦公式则被称为第二次实现物理学的统一。

麦克斯韦的洞见是伟大的——有谁曾质疑电力和磁力不是相互联系的,而是同一事物?现代物理学是关于寻找一个统一原则以解释广阔的自然现象的学科,而麦克斯韦则在另一个层面实现了统一。

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但是,麦克斯韦并不就此停步。他意识到,改变电力场域会影响磁场,反之亦然。因此,他立即想到,是否能够实现电力场域的自我强化,即先改变电力场域引发磁场的改变,之后再通过变化的磁场引发电场变化等等。

麦克斯韦意识到,这可能会产生一条电磁波。他借助电力和磁力的强度计算了这些电磁波的速度,得出了近乎光速的值。

麦克斯韦通过引入电磁场概念,发现无论何种形式的光,包括红外线、无线电波亦或是彩虹,其本质上是电磁辐射波。

借助一个公式、一个直觉和洞察力的飞跃,麦克斯韦实现了物理学、电力学、磁光学三大伟大领域的统一。难怪爱因斯坦崇拜他!

By: Paul Sutter

FY: 秋

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