徐漢屏

●麥克斯韋——電磁學(xué)理論的集大成者

麥克斯韋，英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。

1831年11月13日，麥克斯韋出生于蘇格蘭的愛(ài)丁堡，他自幼聰穎，父親是個(gè)知識(shí)淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育，麥克斯韋10歲時(shí)進(jìn)入愛(ài)丁堡中學(xué)學(xué)習(xí)，14歲就在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問(wèn)題的論文，已顯露出出眾的才華。

1847年，16歲的麥克斯韋中學(xué)畢業(yè)，進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)，這里是蘇格蘭的最高學(xué)府，他是班上年紀(jì)最小的學(xué)生，考試成績(jī)卻總是名列前茅，他在這里專攻數(shù)學(xué)和物理，并且顯示出非凡的才華，他讀書(shū)非常用功，但并非死讀書(shū)，在學(xué)習(xí)之余他仍然寫(xiě)詩(shī)，閱讀課外書(shū)籍，積累了相當(dāng)廣泛的知識(shí)，在愛(ài)丁堡大學(xué)，麥克斯韋獲得了攀登科學(xué)高峰所必備的基礎(chǔ)訓(xùn)練，1850年，麥克斯韋轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，1854年以第二名的成績(jī)獲史密斯獎(jiǎng)學(xué)金，畢業(yè)后留校任職兩年，1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳學(xué)院任自然哲學(xué)教授，1860年到倫敦國(guó)王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授，1861年選為倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

麥克斯韋大約于1855年開(kāi)始研究電磁學(xué)，在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思想之后，堅(jiān)信法拉第的新理論包含著真理，于是他抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來(lái)，他在前人成就的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究，憑借他高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力接連發(fā)表了電磁場(chǎng)理論的三篇論文：《論法拉第的力線》、《論物理的力線》、《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》。

1865年春，麥克斯韋辭去教職回到家鄉(xiāng)，系統(tǒng)地總結(jié)前人和他自己關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，將電磁場(chǎng)理論用簡(jiǎn)潔、對(duì)稱、完美的數(shù)學(xué)形式表示出來(lái)，并于1873年出版了科學(xué)名著《論電和磁》，系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場(chǎng)理論，這一理論經(jīng)后人整理和改寫(xiě)，成為描述電場(chǎng)、磁場(chǎng)與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的麥克斯韋方程組，它含有四個(gè)方程，分別為：電荷是如何產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定理；論述了磁單極子不存在的高斯磁定律；電流和變化的電場(chǎng)是怎樣產(chǎn)生磁場(chǎng)的麥克斯韋-安培定律，以及變化的磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第電磁感應(yīng)定律，這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一，麥克斯韋還預(yù)言了電磁波的存在，電磁波只可能是橫波，并計(jì)算了電磁波的傳播速度等于光速，同時(shí)得出結(jié)論：光是電磁波的一種形式，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，這種理論預(yù)見(jiàn)后來(lái)得到了充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他為物理學(xué)樹(shù)起了一座豐碑，造福于人類的無(wú)線電技術(shù)，就是以電磁場(chǎng)理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。

在熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)方面，麥克斯韋也作出了重要貢獻(xiàn)，他是氣體動(dòng)理論的創(chuàng)始人之一，1859年他首次用統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀量求統(tǒng)計(jì)平均值的更確切的途徑，1866年他給出了分子按速度的分布函數(shù)的新推導(dǎo)方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎(chǔ)的，他引入了馳豫時(shí)間的概念，發(fā)展了一般形式的輸運(yùn)理論，并把它應(yīng)用于擴(kuò)散、熱傳導(dǎo)和氣體內(nèi)摩擦過(guò)程，1867年引入了“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。

麥克斯韋是運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析物理問(wèn)題和精確地表述科學(xué)思想的大師，同時(shí)也非常重視實(shí)驗(yàn)，他1871年受聘為劍橋大學(xué)新設(shè)立的卡文迪許實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，1874年建成后擔(dān)任這個(gè)實(shí)驗(yàn)室的第一任主任，麥克斯韋很重視科學(xué)方法的訓(xùn)練，特別是科學(xué)史的研究，他曾用了幾年的時(shí)間整理一百年前卡文迪許有關(guān)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的論著，并帶領(lǐng)大家重復(fù)和改進(jìn)了卡文迪許做過(guò)的一些實(shí)驗(yàn)，在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)展成了舉世聞名的學(xué)術(shù)中心之一。

1879年11月5日，麥克斯韋因患癌癥在劍橋逝世，終年只有49歲，物理學(xué)史上一顆可以同牛頓交相輝映的明星隕落了，他正當(dāng)壯年就不幸夭折，這是非?？上У摹?/p>

麥克斯韋一生主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究，尤其是他建立的電磁場(chǎng)理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一，科學(xué)史上，稱牛頓把天上和地上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律統(tǒng)一起來(lái)，是實(shí)現(xiàn)第一次大綜合，麥克斯韋把電、光統(tǒng)一起來(lái)，是實(shí)現(xiàn)第二次大綜合；牛頓的經(jīng)典力學(xué)打開(kāi)了機(jī)械時(shí)代的大門(mén)，而麥克斯韋的電磁學(xué)理論則為電器時(shí)代奠定了基石，因此應(yīng)與牛頓齊名，他的理論為近代科學(xué)技術(shù)開(kāi)辟了一條嶄新的道路，愛(ài)因斯坦在自傳中說(shuō)：“在我求學(xué)的時(shí)代，最吸引人的題目就是麥克斯韋的理論”，“特殊的相對(duì)論起源于麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程”，1931年，在紀(jì)念麥克斯韋誕生100周年時(shí)，愛(ài)因斯坦把麥克斯韋的電磁場(chǎng)貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)為“自牛頓時(shí)代以來(lái)物理學(xué)所經(jīng)歷的最深刻最有成效的變化。”

可是他的功績(jī)，在他活著的時(shí)候卻沒(méi)有得到人們重視，麥克斯韋的一生，是叱咤風(fēng)云的一生，也是自我犧牲的一生，這位科學(xué)巨匠生前得到的榮譽(yù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及法拉第，直到他死后許多年，在赫茲證明了電磁波存在以后人們才意識(shí)到他的偉大，并且公認(rèn)他是“牛頓以后世界上最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家”。

●伽利略——近代科學(xué)之父

伽利略，意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家和哲學(xué)家。

1564年2月15日，伽利略出生在意大利西海岸比薩城一個(gè)破落的貴族之家，1581年，伽利略考進(jìn)了比薩大學(xué)，在宮廷數(shù)學(xué)家里奇的悉心輔導(dǎo)下，他把阿基米德的浮力原理和杠桿原理結(jié)合起來(lái)，獲得了精密的測(cè)量方法，發(fā)明了用以測(cè)定合金成分的“液體靜力天平”，引起了學(xué)術(shù)界的注意。

1583年，有一次，他站在比薩的天主教堂里，眼睛盯著天花板，一動(dòng)也不動(dòng)，他用右手按左手的脈搏，看著天花板上來(lái)回?fù)u擺的燈，他發(fā)現(xiàn)，這燈的擺動(dòng)雖然是越來(lái)越弱，以至每一次擺動(dòng)的距離漸漸縮短，但是，每一次搖擺需要的時(shí)間卻是一樣的，于是，伽利略做了一個(gè)適當(dāng)長(zhǎng)度的擺錘，測(cè)量了脈搏的速度和均勻度，從這里，他找到了擺的規(guī)律，擺鐘就是根據(jù)他發(fā)現(xiàn)的這個(gè)規(guī)律制造出來(lái)的。

1589年夏天，他受聘為比薩大學(xué)數(shù)學(xué)教授，年僅25歲，第二年的一天，年輕的伽利略邀請(qǐng)比薩的一些學(xué)者和大學(xué)生來(lái)到斜塔下面，他和他的助手登上斜塔，讓一個(gè)重一百磅和一個(gè)重一磅的鐵球，同時(shí)由塔上自由下落，輕的和重的幾乎同時(shí)落地，他把實(shí)驗(yàn)重復(fù)一次，結(jié)果仍然相同，伽利略通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”的學(xué)說(shuō)，糾正了這個(gè)持續(xù)了2000年之久的錯(cuò)誤結(jié)論，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了自由落體定律，但伽利略卻因此觸怒了比薩大學(xué)里亞里士多德學(xué)派的信徒，被趕出了比薩大學(xué)，伽利略在比薩斜塔做實(shí)驗(yàn)的說(shuō)法后來(lái)被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C否定了，盡管如此，來(lái)自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看作伽利略的紀(jì)念碑。

離開(kāi)比薩大學(xué)后，伽利略來(lái)到學(xué)術(shù)自由的帕圖拉大學(xué)，每逢他上課時(shí)，大廳里擠得水泄不通，遠(yuǎn)至瑞典和蘇格蘭的學(xué)生也慕名遠(yuǎn)道而來(lái)，他們中間的許多人，后來(lái)都成了著名的學(xué)者，伽利略給學(xué)生們講宇宙，并告訴他們，宇宙中沒(méi)有任何東西是一成不變的，這與亞里士多德的學(xué)說(shuō)正好相反，他還告訴學(xué)生，所有東西、所有原子、所有星球都在運(yùn)動(dòng)。

伽利略曾非正式地提出過(guò)慣性定律和外力作用下物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這為牛頓正式提出運(yùn)動(dòng)第一、第二定律奠定了基礎(chǔ)，在經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立上，伽利略可以說(shuō)是牛頓的先驅(qū)在發(fā)現(xiàn)慣性定律的基礎(chǔ)上，伽利略提出了相對(duì)性原理：力學(xué)規(guī)律在所有慣性坐標(biāo)系中是等價(jià)的，力學(xué)過(guò)程對(duì)于靜止的慣性系和運(yùn)動(dòng)的慣性系是完全相同的，可以換句話說(shuō)，在一系統(tǒng)內(nèi)部所做任何力學(xué)的實(shí)驗(yàn)都不能夠決定一慣性系統(tǒng)是在靜止?fàn)顟B(tài)還是在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

1593年，伽利略發(fā)明了溫度計(jì)，那是一根一端敞口的玻璃管，另一端帶有核桃大的玻璃泡，使用時(shí)先給玻璃泡加熱，然后把玻璃管插人水中，隨著溫度的變化，玻璃管中的水面就會(huì)上下移動(dòng)，根據(jù)移動(dòng)的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低溫度計(jì)有熱脹冷縮的作用，所以這種溫度計(jì)受外界大氣壓強(qiáng)等環(huán)境因素的影響較大，測(cè)量誤差較大，后來(lái)伽利略的學(xué)生和其他科學(xué)家，在這個(gè)基礎(chǔ)上反復(fù)改進(jìn)，如把玻璃管倒過(guò)來(lái)，把液體放在管內(nèi)，把玻璃管封閉等。

1609年，伽利略聽(tīng)說(shuō)荷蘭人發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，他通過(guò)別人的一點(diǎn)描述，憑著自己獨(dú)特的天賦，經(jīng)過(guò)刻苦鉆研和實(shí)驗(yàn)，成功地研制了世界上第一架放大倍數(shù)為33倍的天文望遠(yuǎn)鏡，并用來(lái)觀測(cè)天體，他發(fā)現(xiàn)了月球表面的凹凸不平，并親手繪制了第一幅月面圖，伽利略又發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，為哥白尼學(xué)說(shuō)找到了確鑿的證據(jù)，標(biāo)志著哥白尼學(xué)說(shuō)開(kāi)始走向勝利，借助于望遠(yuǎn)鏡，伽利略還先后發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)、太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、月球的周日和周月天平動(dòng)，以及銀河是由無(wú)數(shù)恒星組成等等，1610年，伽利略出版了他的《星際使者》，向全世界宣布了他的上述發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)辟了天文學(xué)的新時(shí)代，為了紀(jì)念伽利略的功績(jī)，人們把木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四命名為伽利略衛(wèi)星，當(dāng)時(shí)，人們爭(zhēng)相傳頌：“哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙”，今天，科學(xué)家霍金說(shuō)，“自然科學(xué)的誕生要?dú)w功于伽利略，他這方面的功勞大概無(wú)人能及?！?/p>

1611年，伽利略在《關(guān)于太陽(yáng)黑子的通信》中，肯定太陽(yáng)是宇宙的中心，維護(hù)哥白尼的“日心說(shuō)”，然而，當(dāng)時(shí)勢(shì)力強(qiáng)大的教會(huì)反對(duì)哥白尼的“日心說(shuō)”，他們認(rèn)為地球是宇宙的中心，太陽(yáng)是圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)，而地球是不動(dòng)的，因此教會(huì)在1616年給伽利略下了一道禁令，不準(zhǔn)講授哥白尼的學(xué)說(shuō)。

1623年，伽利略冒險(xiǎn)開(kāi)始他最有名的著作——《關(guān)于兩種世界體系之間的對(duì)話》的寫(xiě)作，隨后的6年時(shí)間里，他完成了他的杰作，在書(shū)中他巧妙地闡明了自己支持哥白尼學(xué)說(shuō)的證據(jù)，而反對(duì)哥白尼“日心說(shuō)”的人的辯解卻愚蠢而無(wú)力，1632年，這本書(shū)得以出版發(fā)行，但是，教會(huì)的權(quán)威人士很快就發(fā)現(xiàn)了伽利略仍在支持哥白尼的“日心說(shuō)”，于是便一次又一次地把他押上宗教法庭。

當(dāng)時(shí)的伽利略已年近七旬，身患重病，體質(zhì)虛弱，在宗教法庭上，他的精神和肉體受盡了折磨，1633年6月22日，他被迫雙膝跪地發(fā)誓，“放棄、詛咒、痛恨”過(guò)去的種種錯(cuò)誤，但伽利略剛宣布完他的誓言，就大聲喊道：“不管怎么說(shuō)，地球畢竟是在運(yùn)動(dòng)著的”，這說(shuō)明伽利略并沒(méi)有放棄自己所堅(jiān)持的學(xué)說(shuō)，伽利略被判處終身監(jiān)禁，監(jiān)外執(zhí)行。

經(jīng)過(guò)3年的頑強(qiáng)拼博，他又完成了一部巨著《關(guān)于力學(xué)和位置運(yùn)動(dòng)的兩種新科學(xué)的對(duì)話和數(shù)學(xué)證明》，在書(shū)中，他大膽敘述了物體的各種運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)有關(guān)的一些問(wèn)題，為近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的發(fā)展，開(kāi)辟了廣闊的道路，這部書(shū)被偷運(yùn)到荷蘭出版時(shí)，伽利略已雙目失明。

1642年1月8日，這位終身為科學(xué)真理而斗爭(zhēng)的偉大巨人含冤離開(kāi)了人世，1983年，羅馬教會(huì)終于為伽利略冤案公開(kāi)平反。

伽利略有句名言：“生命有如鐵砧，愈被敲打，愈能發(fā)出火花，”是的，生命無(wú)比堅(jiān)強(qiáng)，人生需要磨礪，讓我們?cè)诓粩嗟睦щy之中堅(jiān)持不懈，在打擊和磨難之中顯現(xiàn)生命的光芒和意義。