高考才刚结束, 想必好多同学对高中物理里的麦克斯韦电磁场理论, 记忆还十分深刻。该理论是经典物理学关键的支柱之一, 为电气时代打下了基础。今天是麦克斯韦这位身为物理学家、数学家、经典电动力学的开创者、统计物理学的奠基者之一的193岁生日, 一同来了解他的生平, 体会他对科学世界的深远作用。
麦克斯韦方程组问世
1831年6月13日, 麦克斯韦于苏格兰的爱丁堡出生, 那是个充满学术氛围的家庭, 他从小就展现出对数学以及物理有着浓厚兴趣, 在爱丁堡大学和剑桥大学的学习经历, 为他日后进行科学研究打下了坚实基础。
被众人所熟知他成就的麦克斯韦, 其贡献是针对电磁理论, 这就必然会关联到另一位科学家, 也就是法拉第。麦克斯韦出生当年, 法拉第发现了电磁感应现象, 即闭合电路里一部分导体于磁场中做切割磁感线运动时, 导体里会产生电流。然而, 法拉第的理论依靠的是机械类比与概念模型, 并非公式以及方程。能够这么讲, 恰恰是由于麦克斯韦把法拉第的机械理论转变为了数学方程, 法拉第的工作才在基础物理学里拥有了应占的位置。
1854年, 麦克斯韦毕业于剑桥不过几星期, 他开始了电学研究, 之后读到了法拉第所作的《电学实验研究》, 他马上因书中新颖的实验以及见解引自身吸引, 然而他也察觉到法拉第理论严谨程度欠缺, 所以麦克斯韦决定借助数学来弥补这一不足。
法拉第所做的实验显示出, 变化着的磁场能够于导线当中产生电动势, 麦克斯韦又进一步对这一概念予以发展, 提出了叫做“位移电流”的概念, 把它看作是磁场变化致使电场产生的原因。这一具备创新性的想法, 让电场以及磁场不再是孤立存在的现象, 而是彼此相互联系、相互之间产生影响的统一整体。
基于前人所取得的成就, 麦克斯韦针对整个电磁现象展开了更深入的、系统且全面的研究, 他陆续发表了关于电磁场理论的三篇论文, 分别是《论法拉第的力线》、《论物理的力线》以及《电磁场的动力学理论》。他把电磁场理论以简洁、对称且完美的数学形式呈现了出来, 而这就是被后人称作“世界最美公式之一”的麦克斯韦方程组。
其实, 在麦克斯韦之前的不少年里, 人们对于电与磁这两个范畴展开了广泛探究, 悉知这二者紧密关联。有适用于特定情形的各类电磁规律得以发现,然而没构建起完整且统一的学说。而麦克斯韦创立的这组方程组在任何状况下都能够运用贝语网校, 在此之前的全部电磁定律都能够由麦克斯韦方程组推导得出, 诸多以往未能解决的未知量也能从方程推导进程中获取答案。
成功预言电磁波的存在
由四个基本方程构成的麦克斯韦方程组, 分别是高斯定律, 高斯磁定律, 法拉第电磁感应定律, 以及包含位移电流的安培环路定律, 电荷是怎样生成电场的, 电流是如何生成磁场的, 变化的电场和磁场又是如何相互转化的, 这四个方程把这些情况描述得既简洁又深刻。
经过该理论, 麦克斯韦顺利预言了电磁波的存有, 依据他的方程能够证出电磁场的周期振荡的存有, 这般的振荡称作电磁波, 一旦发出便会借由空间朝外传播, 按照方程, 麦克斯韦能够表述出电磁波的速度靠近3×10⁸m/s, 这跟所测到的光速是相同的, 由此他得出光自身是由电磁波构成的这一正确论断。
德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹, 于1888年通过实验验证了他的预言, 电磁波理论的确立, 为无线电等技术的发明提供了理论支持, 极大地推动了人类社会的进步。
不仅如此, 麦克斯韦方程组于现代物理学诸多领域均有着广泛运用, 于粒子物理学里, 它助力科学家洞悉基本粒子的相互作用, 在天体物理学中, 它阐释了恒星与星系的电磁辐射, 于材料科学中, 它引领着新型电磁材料的设计以及开发……
电磁理论影响深远
虽说麦克斯韦成名关键在于他针对电磁学以及光学所作出的极大贡献,然而他对诸多其他学科同样作出了重要贡献高中物理电与磁物理学史, 当中涵盖天文学以及热力学。
他有一个特殊兴趣, 那就是气体运动学。麦克斯韦意识到, 并非所有气体分子都以相同速度运动。存在一些分子运动速度慢, 存在一些分子运动速度快, 还存在一些分子以极高速度运动。麦克斯韦推导出一个公式, 这个公式是用来求已知气体中按某一速度运动的分子所占百分比的, 也就是“麦克斯韦分布式”, 它是应用极为广泛的科学公式中的一个, 在众多物理分支里发挥着重要作用。
在1931年的时候, 爱因斯坦于麦克斯韦百年诞辰的纪念会上作出评价, 其表示麦克斯韦的建树是牛顿以来物理学方面最深刻且最富有成果的工作, 而这样的评价是因为那些重要的成就。
麦克斯韦一生, 是对物理学有着无限探索以及深刻理解的一种体现, 他的电磁理论, 不仅推动了物理学发展, 还更深刻地影响了人类社会的科技进步以及日常生活。如今, 我们依旧在享有着麦克斯韦留给我们的科学遗产,他的理论和精神高中物理电与磁物理学史, 将会继续激励未来的科学家们去探索未知的领域。
参考资料：
1.《物理》.“麦克斯韦方程和规范理论的观念起源”
2. 在中国科学院数学与系统科学研究院所拥有的公众号上, 呈现了那个改变人类文明进程的最美公式, 它即为麦克斯韦方程组呢。
3.“世界图书出版公司北京公司”公众号, 人物部分, 讲的是麦克斯韦, 他是那种有着天赋般才能, 同时还极其勤奋努力的人。
4.首都科学讲堂公众号, 首都科学讲堂回顾, 第840期, 电的认知简史。
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