詹姆斯.克拉克.麥克斯韋是誰？一位你或許從未聽說過的最偉大的物理學家

或許你從未聽說過他，但是，這位科學家改變了我們對光的理解。

圖：1875年繪制的詹姆斯.克拉克.麥克斯韋的肖像

每個人都是阿爾伯特.愛因斯坦的粉絲，并且擁有充分的理由：他開創了至少4個物理學新領域，并且通過他的想象力創造了一個新的引力理論，為我們揭開了時間和空間的真相。但是，你知道愛因斯坦又是誰的粉絲嗎？

詹姆斯.克拉克.麥克斯韋。

他是唯一一位能夠負責任的向你解釋你的車載收音機運行原理的科學家，此外他還能向你解釋冰箱上的磁鐵原理，以及夏天的高溫和電池充電等問題。

大多數人并不熟悉麥克斯韋，他是19世紀蘇格蘭科學家和博學家。然而，他或許是他所屬時代唯一一位最偉大的科學家，并以所有人未曾預料的方式改變了物理學。事實上，麥克斯韋的同伴們在若幹年後才意識到他令人驚歎的成果。

當時，科學界的興趣點主要聚焦于陌生且令人困惑的電磁特性。千禧年時，人類已經了解電與磁背後的動力，但是，當科學家對這些動力的研究越深入，他們的困惑也越多。

古人已經知道，如果你觸摸電鳗，你将會被電到；如果你摩擦一些物質，例如琥珀，這些物質能夠對其他事物産生吸力。他們知道光能夠産生火。他們已經發現了一些稱作磁石的神奇石頭，這些石頭能夠吸附金屬屑。并且，他們已經能夠熟練使用指南針，盡管他們并不知道指南針工作的原理。

當麥克斯韋踏入這片領域時，科學界已經開展了大量探索電磁動力的實驗。包括本傑明.富蘭克林等科學家已經發現，光電能夠得到儲存。伽伐尼發現，電流可以使滅活生物體再次移動。

同時，法國科學家發現，電力能夠拖動金屬絲并且能根據磁極方向吸引或者排斥另一個金屬絲。帶電球體的吸引或排斥力與它們之間的距離平方成正比。

最令人困惑的是，電力與磁場之間似乎存在某種奇怪的聯系。帶電的金屬絲能夠使羅盤的指針發生偏轉。啟動其中一條電線的電流将會刺激另一條線上的電流，即使這兩條電線并沒有連接在一起。磁場波動也會産生電力。

所有的現象都非常奇妙，但是沒有人知道接下來應該怎麼辦？

此後，麥克斯韋推動了這一事業的發展。當時，他正在努力解決另一個關于色覺工作原理的難題，同時他也注意到了所有關于電力與磁力的困惑。（事實上，他發明了彩色照片）

幾年後，麥克斯韋提出了能夠解釋所有關于電力和磁場實驗困惑的物理和數學公式。

為了解答這些問題，他必須像一個未來科學家那樣思考問題。

現在，現代物理學幾乎都建立在這一領域的概念之上，它橫跨所有時間和空間，解釋其他物體如何運動。雖然，麥克斯韋并不是第一個提出這一概念的人，但是，他是第一個将這項研究運用于實踐中，并将這一數學技巧轉化為現實中的物理實體的人。

例如，麥克斯韋設想了通過電磁場将電力和磁力的動力聯系起來的場景。他說，釋放的電子能夠其自身周圍産生電力場。任何其他釋放的電子能夠感應到這一場域，并能根據這一場域的強度和方向與釋放源的動力進行回應。

麥克斯韋進一步指出，磁場也具有同樣的原理。他意識到，電場與磁場就像一枚硬币的兩面：電力和磁力不是相互分離、區分明顯的兩種力，僅僅是同一事物的兩種表述。它們都是電磁力。你不能從兩個不同的方向來單獨思考電力或磁力。

麥克斯韋的洞見形成了20個相互聯系的公式，幾年後，這些公式仍剩下4個有待當今科學家和工程師解答。麥克斯韋革命緊随艾薩克.牛頓首次實現物理學統一之後，牛頓的物理學提出地球引力時宇宙引力的一部分，遵循着唯一的法則。而麥克斯韋公式則被稱為第二次實現物理學的統一。

麥克斯韋的洞見是偉大的——有誰曾質疑電力和磁力不是相互聯系的，而是同一事物？現代物理學是關于尋找一個統一原則以解釋廣闊的自然現象的學科，而麥克斯韋則在另一個層面實現了統一。

但是，麥克斯韋并不就此停步。他意識到，改變電力場域會影響磁場，反之亦然。因此，他立即想到，是否能夠實現電力場域的自我強化，即先改變電力場域引發磁場的改變，之後再通過變化的磁場引發電場變化等等。

麥克斯韋意識到，這可能會産生一條電磁波。他借助電力和磁力的強度計算了這些電磁波的速度，得出了近乎光速的值。

麥克斯韋通過引入電磁場概念，發現無論何種形式的光，包括紅外線、無線電波亦或是彩虹，其本質上是電磁輻射波。

借助一個公式、一個直覺和洞察力的飛躍，麥克斯韋實現了物理學、電力學、磁光學三大偉大領域的統一。難怪愛因斯坦崇拜他！

By: Paul Sutter

FY: 秋

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