麦克斯韦的伟大故事（续集）11

本系列文章预计会有20+个章节，这套文献将系统讲述科学与技术本身，这里是第七季第11篇

--本文较长，预计阅读9min--

一个理论的发展，很多时候都是建立在一种现象或实验的基础上 ——Masir

今天这篇我们继续来谈谈麦克斯韦的故事，顺便补充下上篇没有讲到的内容。

作为一名工程学专业的从业者，就应该多研究科学的故事，嘿嘿。

好，开始

话说，1800~1850期间，物理学的发展慢慢从表象升级为可测量，也就是主要以数据量化为主题的主题，全欧洲的学者都在以前所未有的准确度和精确度开展光、电、磁、热、流体静力学、机械力学和大量其他领域现象的实验。

当时的他们的目的是要用尽可能少的基于数学的定律解释世界上的各类现象。

请注意数据的量化并非是指会用数学定律！

麦克斯韦做了一件什么事呢？

他主要是把关于电磁学方面的实验结果总结成了数学定律。而实现这个过程实际是非常艰难的，第一个阶段就耗时大约7年左右，而第二个成熟阶段也用了长达几十年时间。

好，我们来分解下这个过程。

当时的背景是这样的

1. 电学是推动电磁学发展的主要“蝴蝶效应”，18世纪末开始，测量带电物体和通

2. 电导线之间作用力的实验精度开始提升，这当然要归功于当时还是老师的奥斯特。

3. 当时的迈克尔.法拉第是一个位才华横溢的实验学家，在电、磁以及电磁学有很多诸多的发现。

4. 格奥尔格，欧姆已经发现一个能够将电流和电压联系起来的电学定律。

以上是麦克斯韦进入电磁学之前已有的结果，我们会看到，除了欧姆定律，其他全是实验、全是实验、全是实验。

这时候进入一个让实验产生数学理论是一条几乎没有人走过的路，而这时候麦克斯韦单刀赴会进入了，这主要得益于他的兴趣和上面各位老师激励。

在研究之前，麦克斯韦先度了法拉第的《电学实验研究》，然后才去思考应该用什么样的数学方法。当然在这个过程中离不开对“场”的概念表述，法拉第认为场是一种“超距作用”，而不是大部分人所说，空间只不过是一个静止的东西。

而用数学方法证明“场”是攻克电磁理论的难题关键。

他的第一步实验的具体方式则是将构成磁场的力线与不可压缩液体的流动做类比。

他从描述液体运动的方程开始，推导出了可以应用在电场和磁场上的类似方程。可以说，这开了一个好头。

数年后，麦克斯韦提出了一个更加宏伟的理论，把电、磁同无孔不入的以太联系了起来——因为，当时的人们都普遍观点认为，光在“以太”中以波的形式传播。

作为建立这个理论的第一步，麦克斯韦提出了一个新的以太力学模型，把以太看作分子涡流和空转轮的集合，当以太受到磁场的作用时，这两个组成部分就会运动起来。

按照他的这个模型，这种微观运动产生了我们在日常生活中观察到的电荷和电流。麦克斯韦假设这种运动机制与电磁场的相互作用类似，然后用他那“近乎不可思议的物理学洞见”————推导出了描述电磁场的方程。

1861年年初，麦克斯韦调整了这个模型，使它能够解释实验学家在电磁学实验中观察到的几乎所有现象。

这就是麦克斯韦电磁理论的第一版，其中，电磁场变化率和其他相关量是用20个微分方程描述的。这些微分方程中有许多都带有这个力学模型的痕迹。

麦克斯韦的第一版电磁理论为他在第二年夏天提出现代科学中的一大统一性思想奠定了基础，看得出第二版才是经典。

第二版主要做了以下修改，麦克斯韦在改良自己的理论其实最重要的就是思考自己对理论模型的认知，他不断反思第一版提出的这个模型，并意识到扰动可以平穿“以太”，就像穿过果冻那样轻而易举。

果冻

麦克斯韦在这个理论中应用的精确数学公式此时发挥了作用：通过这些微分方程，他得以精确描述波的形状、性质和速度。具体的细节我们这里就不赘述了，过程还是有点复杂。

1865年，麦克斯韦提出了这个理论的改良版，他称其为“伟大的枪炮”。这个理论不涉及任何以太的力学模型，既没有涡流，也没有空转轮。它以描述电磁场变化率和相关量的微分方程为基础，并且可以让实验学家通过实验检验。

不过搞笑的是汤姆孙不喜欢用干巴巴且几乎不能理解的数学语言阐述自然理论，他希望它们以能够在脑海中想象的机制为基础。

无论怎样，科学的研究并不是顺风顺水，也不是完全正确，比如“以太”实际并不是一个正确而真实存在的物质，而麦克斯韦终其一生都相信以太的存在。从19世纪30年代（在这十年中，维多利亚成了英国女王）初开始，所有英国物理学家都采纳了有以太这个观点。

麦克斯韦到最后也不知道自己预言的那种波究竟是真实存在，还是只是他的想象力在数学的引导下虚构出来的产物。

将近10年后，物理学家海因里希·赫兹才在他位于德国（这个反对麦克斯韦电磁理论声音最大的国度）的实验室中首次证明了电磁波的存在。作为这个领域的专家，赫兹知道，这个发现为所有那些不以法拉第的场概念为基础的电磁理论敲响了丧钟。

赫兹的发现促使一些物理学家（大多数来自英国和爱尔兰）逐渐掌握了麦克斯韦的艰深理论，他们进一步明确了这个理论，并且做了优化，使其更易于使用。这些人中最出色的数学家是电报员奥利弗·亥维赛。

亥维赛在24岁的时候就退休了，自此之后就没有正式工作，但他不知疲倦地删除了他认为麦克斯韦电磁理论中不必要的数学表述。

以麦克斯韦的名字命名的4个电磁学微分方程并不是由他本人写出的，第一个公开发表它们的人是亥维赛。这个方程组描述了4种由实验确定的现象：

麦克斯韦方程组积分表示

第一，电荷会在它们周围的空间中产生电场；

第二，磁极总是成对出现；

第三，变化的磁场会产生电场；

第四，电流会产生磁场，变化的电场也能产生磁场。

这个方程组混杂在数百页散文与数学文章中，刊登在了供电气工程师和企业高管阅读的商业期刊《电气技师》（Electrician）上。

当第一篇文章发表时，麦克斯韦已经逝世5年多了。他——以及法拉第——若是能看到这个方程组成了在新兴电气领域内工作的理论学家（尤其是那些正在开发无线电报技术的物理学家和工程师）的一大重要工具，肯定会感到欣慰。

这就是伟大的麦克斯韦一生的故事！让我们致敬伟大的物理大师——麦克斯韦。

好，今天就到这里。

总结：

物理学一定是工程学最坚实的基础，如果没有前人的努力，我们都不会看到这个美好的时代。你说戈登.摩尔很伟大、图灵也很伟大、发明大王特斯拉更加伟大，这当然显而易见。

但所有的伟大都是建立在伟大的伟大之上，自然科学是yyds。

后记：

麦克斯韦 影响了谁？

阿尔伯特.爱因斯坦，麦克斯韦的理论激发了当时还是学生的他，这个理论对发展相对论起到了灵感，个人觉得主要还是场，以太等概念。

他与谁交好？

很多人，其中就有第一代开尔文男爵，威廉.汤姆孙，现代热力学之父，当时要开展这方面的研究时，他就写了封信给汤姆孙询问这方面研究的最佳方式。

Masir 2022/10/29

于 东莞

祝幸福~

参考文献:

[1] 《机械宇宙》

[2]《物理世界的数学奇迹》

[3] 《数学大师》