如果你想膜拜伟大的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell),那去处可多得是。伦敦的西敏寺(Westminster Abbey)就有一座麦克斯韦纪念碑,距离牛顿墓不远。最近在爱丁堡,这位科学家出生地的附近,也竖起了一座宏伟的雕像。或者,你还可以去他最后的安息之地表达敬意,那里位于苏格兰西南部的道格拉斯城堡(Castle Douglas)附近,不远处便是其钟爱的祖宅。这些纪念性标志,皆恰如其分地致敬了这位提出了首个物理统一理论并且展现了电磁密不可分特性的伟人。
描述这个世界的大量信息——即支配光行为、电流动和磁动力的基本规则——可以被归结为四个优美的方程。现如今,这些被共同称之为麦克斯韦方程的公式早已名震天下,差不多每一本入门级的工程和物理学教科书上都能找到它们的踪影。
不过,对于这些方程是否问世于1864年的12月,目前尚存争议,当时麦克斯韦向伦敦英国皇家学会提交了自己的电磁统一理论,并于次年即1865年发表了一篇完整的报告。此项工作为物理学、无线电通讯和电气工程学随后出现的所有伟大成就提供了基础。
但展示和运用之间还存在很大的差距。麦克斯韦理论的数学和概念基础是如此复杂和违反直觉,以致于该理论在首次被提出以后,基本上处于被忽视的境地。
为了给麦克斯韦的理论打下坚实的基础,一小群痴迷于电磁奥秘的物理学家足足花费了将近二十五年的时间。在他们中间,有人专门收集可证实光是由电磁波构成的实验证据,还有人将麦克斯韦方程转化为了当前的形式。德克萨斯大学奥斯汀分校的历史学家布鲁斯·亨特(Bruce J. Hunt)将这群物理学家称之为“麦克斯韦学派”,如果没有他们所付出的巨大努力,现代电磁概念可能还需要数十年时间才会被广泛接纳。这种延迟将会进一步拖累后续所有不可思议的科学技术的问世时间。
时至今日,我们早已认识到,可见光实质上就是一团宽泛的电磁波谱,其辐射是由振荡的电场和磁场所组成。我们知道,电和磁是密不可分的;变化的磁场产生电场,电流和变化的电场又会生成磁场。
四则黄金定律
现如今,电磁之间的关系以及光和通常电磁辐射的波动性,都可以用上图所示的四则“麦克斯韦方程”来进行表述。这些方程可以用不同方式来书写。方程中,J为电流密度。E和B分别代表电场和磁场。另外两个场为位移场D和磁场H。它们通过常数与E和B相关联,这些常数反映了磁场所通过的介质的特性(在真空中,这些常数的值可以结合起来导出光速)。位移场D是麦克斯韦的关键贡献之一,最后一个方程描述了电流和变化的电场如何产生磁场。每个方程最左边的符号代表微分算符。这些简洁的微分式包含了矢量,即拥有方向性的物理量,从而将x、y和z的空间分量也包含在其中。麦克斯韦最初提出的电磁理论公式包含了二十则方程。
奇妙的无线电:海因里希·赫兹利用线圈(左侧)和天线(右侧)生成并探测到了可见范围之外的电磁辐射。(图片来源:卡尔斯鲁尔理工学院档案)
麦克斯韦学派的研究里程碑
1785年
夏尔-奥古斯丁·库仑(Charles-Augustin de Coulomb)发现两个电荷之间的作用力与距离的平方成反比。
1800年
亚历桑德罗·伏特首次发明了电池,这使得实验科学家们可以开始利用连续的直流电展开研究。
1820年
插图来源:维基百科
1820年
安德鲁-玛丽·安培研究发现,两根平行通电导线能够表现出相互吸引或相互排斥作用,具体作用效果取决于电流的相对方向。
1831年
设想电场和磁场存在的迈克尔·法拉第发现了电磁感应现象。
1831年
1855年
麦克斯韦关于法拉第观测现象及其相关理论的首篇论文面世。
1861年和1862年
麦克斯韦发表了一篇名为《论法拉第力线》的论文。该论文分为四部分,它介绍了通过表面的电通量变化可产生磁场的核心理论。
1864年
麦克斯韦向伦敦英国皇家学会递交了自己的最新研究成果,并于次年发表了论文。此项研究表明,电场和磁场能够以波的形式在空间传播,而光本身就是这样一种波动。
1873年
麦克斯韦出版了巨著《电与磁论述》,这本书包含了更进一步的数学成果和诠释工作。
1879年
普鲁士皇家科学院发起了一项竞赛,即找到实验证据来支持或驳斥电磁波的存在,受到鼓动的海因里希·赫兹由此对麦克斯韦的研究产生了兴趣。
1879年
麦克斯韦死于胃癌,享年四十八岁。
1885年
奥利弗·赫维赛德发表了精简版的麦克斯韦方程,他将二十个方程减少到了四个。
1888年
在搬到设备精良的卡尔斯鲁尔实验室之后,赫兹耗费了数年时间终于证实了麦克斯韦所预测的电磁波是实际存在的。
1940年
阿尔伯特·爱因斯坦的专著《关于理论物理基础的思考》(Considerations Concerning the Fundaments of Theoretical Physics)大大提升了“麦克斯韦方程”一词的知名度。
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