134月 2019

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麦克斯韦的故事

爱科技 by xfire

4月10号晚九点,相信大家都关注了人类史上拍摄到的第一张黑洞照片全球公布的视频直播盛况。很多小伙伴在朋友圈里转发了关于黑洞的各种脑洞照片,特别是那张蜂窝煤的,真的是让老wu笑出腹肌,😂😂。黑洞再次火了,同时也引爆了关于物理学的探讨。

物理学是一种实验科学,物理学者从观测与分析大自然的各种基于物质与能量的现象来找出其中的模式。这些模式称为“物理理论”,经得起实验检验的常用物理理论称为物理定律,直到有一天被证明是有错误为止(具可否证性)。

黑洞(英语:black hole)是根据爱因斯坦的广义相对论所推论、在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体和星体。而对黑洞进行拍照将能提供黑洞存在的直接“视觉”证据。黑洞是具有强引力的,因此给黑洞“拍照”,最重要的目的是在强引力场的极端环境下,验证爱因斯坦的广义相对论,并同时细致研究黑洞周围的物质吸积和喷流的形成及传播。

现代物理中的黑洞理论是创建在广义相对论的基础上的,广义相对论给出很多重要的预言,其中很多在刚问世时,都显得过分光怪陆离,让人不敢相信。然而100 年来,这些预言逐一获得实验和观测的证实,让爱因斯坦取得物理学史中至高无上的地位。

相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,它们共同奠定了现代物理学的基础。

相对论与量子力学的提出,撼动了以牛顿运动定律为基础的经典物理学的绝对权威地位,把人类带到了一个全新的世界。

爱因斯坦提出相对论后,物理学就划分为现代物理学和经典物理学。现代物理学的代表人物便是爱因斯坦,下边这张物理学界最著名的合照-1927索尔维会议合影,处于C位的爱因斯坦无疑是最瞩目的。

而经典物理学当然是以牛顿为代表了-一位最接近神的人。

而纵观整个物理学历史,如果我们设置物理学名人堂的话,其中,前三甲的话,第一位,不必多说,牛顿,第二位,也没有争议,爱因斯坦。但第三位给谁?这个竞争就比较大了,目前国内外也有很多排行榜,排在第三的有伽利略、麦克斯韦、普朗克、法拉第等等。

如果让老wu来选,我想将第三这个位置投给麦克斯韦。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831年6月13日-1879年11月5日),苏格兰数学物理学家。没错,数学物理学家,人家的数学是很牛的,物理学中数学最好的当属牛顿啦,牛顿与戈特弗里德·莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉, 麦克斯韦也是个数学天才,因此麦克斯韦方程组也被列进了世界上最美的方程。

麦克斯韦其最大功绩是提出了将电、磁、光统归为电磁场中现象的麦克斯韦方程组。其在电磁学领域的功绩实现了物理学自艾萨克·牛顿后的第二次统一。

麦克斯韦1831年6月13日生于爱丁堡的印度街14号,应该是个富二代,其父詹姆斯·克拉克是一名辩护律师,家境殷实。正因为家境殷实,麦克斯韦10岁是就没送进了久负盛名的爱丁堡皇家学院就读。

麦克斯韦开挂般的人生

15岁向爱丁堡皇家学院递交科研论文
16岁进入爱丁堡大学,什么概念,大概是是中科大少年班的水平啊
仅用三年就完成了四年学业,19岁转入剑桥大学
23岁剑桥毕业留校
25岁担任教授
30岁被选为英国皇家学会会员,要知道牛顿也是29岁入选皇家学会的……

1854年,23岁,刚从剑桥毕业几星期的麦克斯韦读到了法拉第的《电学实验研究》,便立刻被其吸引,对电磁学产生了浓厚的兴趣,并以他犀利的目光看出了法拉第的“场”和“力线”思想的真实意义,立志用数学的语言精确描述法拉第的场合力线的概念。

当年法拉第已经提出了场的概念,这已经撼动了牛顿的地基了,不过法拉第只能用形象的语言和实验来描述他的看法,他给不出理论的数学描述,因为法拉第数学比较不好,这个比较吃亏,当然了,这个不好的水平也是足以吊打我们很多大神的了,🙃。 法拉第幼年失学,因为家里比较穷,只读了两年小学就辍学了,后来到书店学徒才有机会接触到电学的相关文章。

1855年,麦克斯韦发表了他的第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。在麦克斯韦手中,深奥的力线、场思想神奇般地用数学语言描述出来了,为法拉第的物理思想做了细致的数学“翻译”,使之定量化、精确化。

法拉第在见到这篇文章之后,大喜过望,自己的想法终于有人实现了。他日思夜想,等着和那篇论文的作者相见的那一刻。

终于,五年后,两位大神历史性的会面了, 1860年,麦克斯韦前往伦敦拜访法拉第,尽管法拉第69岁,麦克斯韦29岁,一个年近古稀,一个正值壮年,但完全没有代沟,二人相见如故。

法拉第盛赞麦克斯韦:“我惊讶地看到,这个主题居然处理得如此之好”,“我并不认为自己的学说一定是真理,但你是真正理解它的人”,“你不应该局限于借用数学来解释我的见解,而应该突破它。”

法拉第的话,像一盏明灯,照亮了麦克斯韦前进的道路,使他进一步领悟到,不仅要用数学的方法去解释法拉第的学说,还应该用数学去突破和超越前辈的成就。

麦克斯韦立志采用一种统一的方法,按照一种统一的思想汇总过去的电磁学研究,并给法拉第、库仑、奥斯特、安培、高斯等有关电磁学的成果以理论的解释和数学的表达。

这番交谈,让麦克斯韦的前路一下子就豁然开朗了。

怎么突破法拉第的理论?电能生磁,磁能生电,电有电场,磁有磁场。既然相互产生,性质这么接近,它们会不会是一种东西?

麦克斯韦经过五年的潜心研究和推导,发表了《电磁场的动力学理论》,推导出了最优美的麦克斯韦方程组。

两年后,法拉第与世长辞,不过法拉第了无遗憾,因为他看到了历史上最优美的方程。

在1864年发表的论文《电磁场的动力学理论》中,麦克斯韦提出电场和磁场以波的形式以光速在空间中传播,并提出光是引起同种介质中电场和磁场中许多现象的电磁扰动,同时从理论上预测了电磁波的存在。此外,他还推进了分子运动论的发展,提出了彩色摄影的基础理论,奠定了结构刚度分析的基础。

麦克斯韦被普遍认为是十九世纪物理学家中,对于二十世纪初物理学的巨大进展影响最为巨大的一位。他的科学工作为狭义相对论和量子力学打下理论基础,是现代物理学的先声。有观点认为,他对物理学的发展做出的贡献仅次于艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦。在麦克斯韦百年诞辰时,爱因斯坦本人盛赞了麦克斯韦,称其对于物理学做出了“自牛顿时代以来的一次最深刻、最富有成效的变革”。

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