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麦克斯韦教授如何改变了我们的世界

2011-04-12 08:31:33 来源:

麦克斯韦教授如何改变了我们的世界

两周前意大利很排场地庆祝了150周年统一纪念。略低调一些的是美国人纪念内战爆发150周年,那是一次解散联邦的不成功的尝试。在这些历史的分分合合之中,另一件事情很容易被忽略,有些人认为这件始于1861年春天的事情才是一次更有意义的“统一”。那一年3月份的时候,一位苏格兰物理学家,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,发表了他论文《论物理的力线(On physical lines of force)》四部分的第一部分。在《哲学杂志(Philosophical Magazine)》上的这篇论文里,他列出了方程组,揭示了电、磁和光是同一种现象的不同表现。(译者注:《哲学杂志》创刊于1798年,是凝聚态物质领域的老牌杂志。)

到 19世纪中叶的时候,科学家们对于电、磁、光这三个部分的每一样已经有了相当的认识,已经把他们称为电磁现象了。他们知道,比如说电荷的分部是和电场模式有关的,还有磁极不能独立存在,也就是说不存在磁单极子。他们还知道运动的磁体会在线圈中产生电流,正如几十年前迈克尔·法拉第在英国皇家学会里演示的一样。(皇家学会距离经济学人的伦敦办公室走路很近)但是,没有人能够说出为什么会是这样。

麦克斯韦最初的目标是找到电和磁之间的数学联系,从而解释这些实验结果。(这个问题对于维多利亚时代的人们来说是非常紧急的,因为他们正因为如何能让大西洋海底光缆运转起来而焦头烂额。人们认为,理解了电和磁怎么样互相作用的,将有助于解决海底电缆里信号延时和衰减的问题。)

他同时认识到,变化电场强度将会产生一个变化的磁场,甚至在一个没有移动电子的空间中也是如此。一个变化的磁场,当然也会产生电场,这个已经被法拉第证实了。也许这两个场互相推进,就像永远不停的波一样?麦克斯韦的计算给出了回答,是的。并且这种电磁波穿过媒介的速度,和媒介的电磁特性有着内在关联。当麦克斯韦往他的公式里输入被德国实验人员测算出的不同的值时,结果正是斐索测定的光速。(译者注:斐索,法国科学家,1850年用齿轮法测定了光速。)这不是偶然,麦克斯韦认为光事实上也是一种电磁波。就这样物理界里有了第一个统一理论。

2011 年充满了各种各样科学大事件的周年纪念日。化学家们会庆祝罗伯特·波义耳的《怀疑派的化学家》一书发表350周年,这标志着化学,至少是现代化学的诞生。一百年后的四月,海克·卡末林·昂內斯,一位荷兰物理学家,发现了一些材料是超导体--在他们被冷却接近绝对零度的时候,电荷可以不受阻地流过。在同一年的五月份,欧内斯特·卢瑟福,一位新西兰出生的英国科学家,(同样是在哲学杂志上)提出了现在为我们所知的原子模型--一个高密度的核被微小的电子所围绕。尽管物理学家们到目前为止提出了很多精巧的亚原子结构,不同于之前的“汤姆逊模型”,卢瑟福模型基本上是正确的,这也是为什么它一直被用于全世界范围内的学校教学。(译者注:汤姆逊模型假定负电荷即电子均匀分布在原子内,但是这一点假设不符合卢瑟福散射的实验结果。)三十年前,阿兰·古斯,一位美国粒子物理学家,发表了一篇文章。他提出,大爆炸后,宇宙经历了一段迅速的膨胀;从那之后宇宙膨胀理论成为宇宙哲学上广泛接受的看法,也使得天体物理学家们更严肃地看待粒子物理学。

以上所说的都是很有价值的智慧成果。然而比起麦克斯韦的成就来说都显得苍白。这不光是因为麦克斯韦的洞察力带来了就像从广播到移动电话一样的至今长达一个世纪的有形价值。(只说一个世纪是因为在科学家们完全抓住麦克斯韦理论的伟大意义并付诸实践上就花掉了几十年时间)也不光因为他倡导的“场”这一抽象概念是一个既富有启发价值的创想,极大地支撑着现代物理学。他的最伟大之处在于,他揭示了自然不应该仅仅从表面去被观察,更应当去用数学的手段追寻发现隐藏的美。他铺就了一条通往物理学家“圣杯”的路:大统一理论,一套完整的可以解释所有已知物理现象的方程式。根据趋势来看,也许“圣杯”遥不可及。除非人类认知存在某种内在的限制,这一点很难说的准,必将能把更多的看似奇怪的现象一下子给解释清楚。

在人类的历史上,麦克斯韦是一位伟大的无名英雄。对于没有科学兴趣的人来说,这位物理学家中的物理学家的名字也许不代表着什么。他一生的成就,包括很多热力学的重要贡献(更不用说他在150年前拍摄了世界上第一张彩色照片),可称为有史以来最悠久的科学遗产,完全可以和更为人所知的牛顿、 爱因斯坦相提并论。他值得被宣扬。

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