如果只能選一人,那便是:
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(G.C.Maxwell)
他的偉大,從5個方面來看待:
純理論成果
理論成果的后世影響
科技應(yīng)用
實驗物理
慧眼識珠
純理論成果
麥克斯韋方程組,統(tǒng)一電、磁、光!
(強調(diào)一下,麥克斯韋方程組統(tǒng)一的不是電和磁,而是電、磁、光。光學(xué)的本質(zhì)是電磁學(xué)!)
從上到下:高斯定理、磁通連續(xù)性原理、電磁感應(yīng)定律、全電流定律
這是人類馴服四大基本作用的首次勝利——馴服電磁相互作用!
也是世上第一個規(guī)范場論——沒錯,在外爾奠基規(guī)范場論的數(shù)十年前,麥克斯韋已經(jīng)建立了世上第一個規(guī)范場論!
有人說麥克斯韋只是總結(jié)了前人的成果,那些公式都是以別人的名字命名的。
這種說法純粹是孤陋寡聞的表現(xiàn),全電流定律又被稱為麥克斯韋第一方程,電磁感應(yīng)定律又被稱為麥克斯韋第二方程。
連這種說法都沒聽過的人,我只能送他們四個字:孤陋寡聞。
還有人說麥克斯韋只是加了個位移電流,貢獻并不大。
這種說法純粹是坐井觀天的表現(xiàn),麥克斯韋還提出過渦旋電場、電勢表征電磁場的能量、磁矢勢表征電磁場的動量、……
麥克斯韋之前,電磁學(xué)只能處理靜態(tài)的電磁場;麥克斯韋之后,電磁學(xué)才能處理動態(tài)的電磁場。
渦旋電場和位移電流對整個電磁學(xué)的貢獻,完全可以說是化腐朽為神奇,把一盤散亂的公式變成了規(guī)范場論。
質(zhì)疑麥克斯韋對電磁學(xué)的貢獻的人,我只能送他們四個字:坐井觀天。
提醒一下,麥克斯韋不只是電磁學(xué)的王者,還是統(tǒng)計力學(xué)的奠基人之一,憑借麥克斯韋速率分布律在統(tǒng)計力學(xué)中占有一席之地。
而且,麥克斯韋為了批駁熱力學(xué)第二定律引發(fā)的"熱寂論",還意識到自然界存在著與熵增相對抗的能量控制機制,但他無法清晰地說明這種機制,于是放出了“物理學(xué)四大神獸”之一的麥克斯韋妖。
麥克斯韋妖:能夠按照某種秩序和規(guī)則把作隨機熱運動的微粒分配到一定的相格里。
提醒一下,麥克斯韋妖可不是個惡作劇,它是耗散結(jié)構(gòu)的一個雛形。是一種新機制,并稱之為"信息-熱機制",這意味著,能夠使用信息作為媒介來轉(zhuǎn)化能量。
(細胞就是一種耗散結(jié)構(gòu)。)
除此以外,麥克斯韋還算出了土星環(huán)是固體流體和大量并非相互密集的物質(zhì)構(gòu)成的,而不是質(zhì)量分布不規(guī)則的固體環(huán)。
理論成果的后世影響
如果理論物理中有“萬金油”的話,那一定是:
麥克斯韋方程組!
(麥克斯韋方程組出場次數(shù)這么多,“萬金油”的名號可不是浪得虛名。)
狹義相對論要叫麥克斯韋方程組一聲爸爸,說白了,狹義相對論就是幫麥克斯韋方程組對付伽利略變換用的。
規(guī)范場論也要叫麥克斯韋方程組一聲爸爸,楊-米爾斯方程就是在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上建立的。
麥克斯韋方程組是U(1)群,楊-米爾斯方程把它推廣到了SU(2)、SU(3)、……群。
而且,麥克斯韋方程組不止是“萬金油”,還是“常青樹”。
經(jīng)典物理有三大支柱:經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動力學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)。
經(jīng)典力學(xué)被狹義相對論修正,成為了狹義相對論的近似理論;熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)在量子力學(xué)建立后,也成為了量子統(tǒng)計的近似理論。
甚至是20世紀才建立的量子力學(xué)也被改進過,和狹義相對論接軌。
(量子電動力學(xué)是改進了非相對論量子力學(xué),而不是改進了麥克斯韋方程組。)
麥克斯韋方程組卻一直是老樣子。
上面這些只是麥克斯韋方程組的后世影響。
除此以外,麥克斯韋提出的電勢表征電磁場的能量、磁矢勢表征電磁場的動量的觀點,也在量子力學(xué)中發(fā)揮了不小的作用。
當(dāng)初亥維賽德和吉布斯用矢量分析表達麥克斯韋方程組時,把電勢和磁矢勢放到了幕后,沒有意識到它們的價值。
在量子力學(xué)建立后,物理學(xué)家才再次發(fā)現(xiàn)了電勢和磁矢勢的意義。
量子力學(xué)中的A-B效應(yīng)證明了電勢和磁矢勢是最基本的場量。
(去世數(shù)十年后,麥克斯韋還在教物理學(xué)家做事。)
科技應(yīng)用
這是很重要的因素,不提科技應(yīng)用的話,很多物理學(xué)家都能排到麥克斯韋前面。
提及科技應(yīng)用,麥克斯韋就是當(dāng)之無愧的第一人。
第二次工業(yè)革命和第三次科技革命都依賴麥克斯韋方程組。
(即便是電力系統(tǒng),也依賴麥克斯韋方程組,進行波過程的分析。)
wifi 、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、無人機、自動駕駛、雷達、……、你現(xiàn)在刷頭條,都離不開電磁波和麥克斯韋方程組。
甚至可以說,現(xiàn)代文明建立在麥克斯韋方程組之上。
這種說法并不夸張,信息技術(shù)確實很依賴麥克斯韋方程組。
在經(jīng)典力學(xué)建立之前,已經(jīng)有了各種機械、建筑;在熱力學(xué)建立之前,已經(jīng)有了蒸汽機。
但在麥克斯韋方程組建立之前,可是完全沒有無線電技術(shù),連個收音機都沒有。
除此以外,麥克斯韋還是最早研究調(diào)速器的穩(wěn)定性問題的物理學(xué)家。
1868年麥克斯韋發(fā)表了《論調(diào)節(jié)器》,表達了比例-積分控制器的基本思想。
首次把調(diào)速器的運動狀態(tài)用微分方程來描述,導(dǎo)出了調(diào)節(jié)器的微分方程,并在平衡點附近進行線性化處理,指出穩(wěn)定性取決于特征方程的根是否具有負的實部。
(工科生對這些操作應(yīng)該都很熟悉。)
麥克斯韋還在論文中對三階微分方程描述的具體系統(tǒng)以及具有五階微分方程的特殊系統(tǒng)進行了研究,并給出了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件。
(更高階系統(tǒng)的穩(wěn)定判據(jù)就是勞斯判據(jù),工科生應(yīng)該都懂。)
在自動控制這一塊,麥克斯韋也能占據(jù)一席之地。
實驗物理學(xué)
1871年,麥克斯韋創(chuàng)立卡文迪許實驗室。
在那里發(fā)現(xiàn)了電子、中子、原子核的結(jié)構(gòu)、DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)、……
卡文迪許實驗室對整個實驗物理學(xué)的發(fā)展有極其重要的影響,眾多著名科學(xué)家都曾在這里工作過,這里甚至被譽為"諾貝爾物理學(xué)獎獲得者的搖籃"。
卡文迪許實驗室
作為該實驗室的第一任主任,麥克斯韋在1871年的就職演說中對實驗室未來的教學(xué)方針和研究精神作了精彩的論述,是科學(xué)史上一個具有重要意義的演說。
他說:"這些實驗的教育價值,往往與儀器的復(fù)雜性成反比,學(xué)生用自制儀器,雖然經(jīng)常出毛病,但他卻會比用仔細調(diào)整好的儀器,學(xué)到更多的東西。仔細調(diào)整好的儀器學(xué)生易于依賴,而不敢拆成零件。"從那個時候起,使用自制儀器就形成了卡文迪許實驗室的傳統(tǒng)。
麥克斯韋的本行是理論物理學(xué),但他卻清楚地知道實驗稱雄的時代還沒有過去。
他還批評當(dāng)時英國傳統(tǒng)的"粉筆"物理學(xué),呼吁加強實驗物理學(xué)的研究及其在大學(xué)教育中的作用,為后世確立了實驗科學(xué)精神。
除此以外,還有個麥克斯韋滾擺,用于演示機械能守恒。
慧眼識珠
麥克斯韋曾把傅里葉的《熱的解析理論》稱為“一首偉大的數(shù)學(xué)史詩”。
事實也確實如此,傅里葉把物理問題表述為線性偏微分方程的邊值問題來處理,使分析力學(xué)超出了牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中所規(guī)定的范疇。
亨利·卡文迪許(不只測出了引力常量,還被稱為“化學(xué)中的牛頓”)逝世后,他的手稿在書櫥里一放竟是70年。
麥克斯韋發(fā)現(xiàn)并整理了他的實驗論文,并于1879年出版了名為《卡文迪許的電學(xué)研究》一書,此后人們才知道卡文迪許做了許多電學(xué)實驗。
麥克斯韋說:"這些論文證明卡文迪許幾乎預(yù)料到電學(xué)上所有的偉大事實,這些偉大的事實后來通過庫侖和法國哲學(xué)家們的著作而聞名于科學(xué)界。"
約西亞·威拉德·吉布斯,不擅交際又愛深思的個性,使他在現(xiàn)實的社會里,幾乎是不存在的邊緣人。
他曾在九年間發(fā)表了三篇熱力學(xué)的經(jīng)典之作,把這三篇寄給世界各地147個物理、數(shù)學(xué)的科學(xué)家,請他們提供意見。
幾乎所有人都讀不懂他的理論,也不知道吉布斯是何許人。
但是,麥克斯韋不僅讀了,而且深深地贊賞吉布斯的文章,于是登高一呼:
這個人對于“熱”的解釋,已經(jīng)超過所有德國科學(xué)家的研究了。
這時大家才恍然大悟,回頭從紙屑堆中找出這三篇文章,好好地研讀。
麥克斯韋還對吉布斯三維圖的思想贊賞不已,親手做了一個石膏模型寄給吉布斯。
什么叫慧眼識珠?這就叫慧眼識珠。
巨星隕落
麥克斯韋生前沒有享受到他應(yīng)得的榮譽。
因為他的科學(xué)思想和科學(xué)方法的重要意義直到20世紀科學(xué)革命來臨時,才充分體現(xiàn)出來,然而他沒能看到科學(xué)革命的發(fā)生。
他的理論對技術(shù)進步和塑造現(xiàn)代文明的深遠影響直到20世紀科技革命來臨時,才充分體現(xiàn)出來,然而他也沒能看到科技革命的發(fā)生。
1879年11月5日,麥克斯韋因病在劍橋逝世,年僅48歲。