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24 麦克斯韦

(James Clerk Maxwell,1831~1879)

伟大的英国物理学家麦克斯韦最著名的事迹,是他创立了一组有4个方程式的表达电磁间基本定律的方程组。

在麦克斯韦之前,电和磁这两个领域已被广泛地研究过,人们都知道电和磁之间有很紧密的关系。尽管人们已发现了不少在特定的环境下成立的电磁定律,但在麦克斯韦之前没有一个综合的、统一的理论。在他的有4个简短的方程(尽管非常的复杂)的方程组里,麦克斯韦能够精确描述电磁场的行为和相互作用。通过这个方程组,他将大量令人困惑的现象转化为一个单一的、综合的理论。麦克斯韦方程在过去的一个世纪里被广泛用于基础科学和应用科学。

麦克斯韦方程最大的优点是,它是一组通用方程,可以适用所有环境,所有已知的电磁学定律都可以从麦克斯韦方程中推导出来。另外,从麦克斯韦的方程中,还可推导出大量其他的从前未知的结果。

这些新结果中最重要的结果,是由麦克斯韦自己推导出来的。从他的方程中可以得知,电磁场的周期性振荡是可能的。这种被称作电磁波的振荡一旦发生,就会通过空间向外传播。从他的方程中麦克斯韦能够指出这种电磁波的速度接近每秒30万公里(18.6万英里)。麦克斯韦认识到这和光速是相同的。从这点他正确地得出结论,光本身由电磁波构成。

因此,麦克斯韦方程不仅是电磁学的基本定律,而且还是光学的定律。的确,从前已知的所有光学定律都可以从他的方程中导出,并且还可推导出许多从前未发现的事实和相互关系。

可见光不是电磁辐射惟一可能的形式。麦克斯韦方程指出还可能存在其他的电磁波,它们的波长和频率与可见光不同。这些理论上的结论以后被赫兹令人惊异地证实了。赫兹能够制造并探测出麦克斯韦预言存在的那些不可见的波。几年后,马可尼证实,这些不可见波可用作无线电通讯,无线电变成了现实。今天,我们还将它们用于电视。X射线、伽玛射线、红外线和紫外线是电磁辐射的另外一些例子。所有这些射线都可用麦克斯韦方程来研究。

尽管麦克斯韦的声誉主要来自于他对电磁学和光学所做的杰出贡献,然而他还在其他科学领域内做出了重要贡献,包括天文学理论和热力学(对热的研究)。他的兴趣之一是气体的分子运动理论。麦克斯韦认识到,并不是所有的气体分子都以同样的速度运动,某些分子运动得慢,某些分子运动得快,某些分子运动得特别快。麦克斯韦建立了一个公式,它可以指出(对于任何被给定的温度下)在任何给定的速度下给定气体分子运动的比例。这个公式被称为“麦克斯韦分布”,它是应用最广泛的科学公式之一,并且在物理学的许多分支中都有重要的应用。

◇麦克斯韦方程是电磁学的基本定律

麦克斯韦1831年生于苏格兰的爱丁堡。他智力极为早熟,15岁时便向爱丁堡皇家学会提交了一篇论文。他进入爱丁堡大学并从剑桥大学毕业。他平生的大部分岁月是做教授。他最后的职位是在剑桥大学。他结过婚,但没有孩子。麦克斯韦通常被认为是牛顿和爱因斯坦之间最伟大的理论物理学家。他的辉煌生涯过早地结束了,1879年,在他48岁生日之前,他死于癌症。