谁是影响力最大的物理学家?对于这个问题,大部分人的回答大概都会是牛顿或者爱因斯坦。牛顿是站在近代物理学顶峰上的世外高人,而爱因斯坦则是现代物理学巅峰上的独孤求败。他们都是一人开创一时代的大神,威名在当代无人不知、无人不晓,而在牛顿与爱因斯坦之间,其实还有一位“扫地僧”级别的人物,他的名字远没有牛顿爱因斯坦那般的如雷贯耳,不了解物理的人甚至完全没有听过他的名字。然而,学界却将他的工作誉为是“上承牛顿,下启爱因斯坦”。狭义相对论,也是建立在他的理论基础之上。同时,这位隐藏大佬还是物理学家当中少见的全能型战士,当今的任何一个物理学分支,都或多或少能够见到他的名字。说这位大佬是紧随牛顿爱因斯坦之后,影响力排名第三的物理学家都不夸张!今天,我们就好好了解一下神级天才麦克斯韦!
六边形天才
1831年,麦克斯韦出生于英国的爱丁堡,他早年一直在家里跟随着母亲学习,11岁的时候才进入公学开始接受正规的教育,在入学的时候,一年级的学生名额都已经满了,于是他就直接读了二年级。可是,就算是把麦大佬直接安排到三四年级,那也是耽误人家的进度了,因为课堂讲的东西于他而言完全是小儿科。他的天才生涯,从14岁那年就开始了,麦克斯韦仅仅只是看了几本与几何相关的书,就自己写出了一篇论文,论述了如何用图钉和线来绘制曲线,还自己推导出了一个数学方程,将线绕图钉的圈数、图钉间的距离以及线的长度联系了起来。后来,爱丁堡大学的自然哲学教授福布斯看到了这篇论文,马上就被惊住了,这不是天才啥是天才?他又仔细查了查以往的学术文献,发现历史上还有一个人做出过与他相似的成果,那个人名字叫做勒内·笛卡尔。
笛卡尔
这剧情是不是似曾相识?在这一点上,麦克斯韦的经历和拉马努金可以说是十分相像,拉马努金大概也是在这个年龄,一不小心就做出了欧拉曾做出的成果。但是拉马努金发现自己研究已经被欧拉做出来了,就羞愧的把他的证明藏起来了。麦克斯韦倒不至于那么羞愧,因为他的研究成果相比于笛卡尔更进了一步,而且论文当中提出的数学方法也比笛卡尔当时提出的更加简单,14岁能比笛卡尔多提出一点东西,也算不丢人。后来,麦克斯韦这篇论文当中的理论在透镜的设计当中起到了重要作用。1847年,麦克斯韦进入了爱丁堡大学,成为了他所在班级里年纪最小的学生。
在这里麦克斯韦受到了福布斯教授的赏识,这位老师对麦克斯韦动手实践能力的提升有着很大的帮助,还有一位老师对他的影响同样也非常大,这个人就是哈密顿,当时的哈密顿在爱丁堡大学任教,他对麦克斯韦也给予了很多帮助。
哈密顿
虽然麦克斯韦是班里年龄最小的学生,但学习成绩基本次次是第一,年轻的他一口气把古典学、历史学、数学、逻辑学、哲学、文学。心理学全给选修了。而且样样都学的不错,更可气的是,人家长得还贼帅,在爱丁堡大学里是绝对的校草。与许多数学天才不同的是,他的写作水平也是一流,说他是六边形战士真的毫不为过。有一次,麦克斯韦写了一篇关于偏振光的论文交给了老师,他的老师觉得这篇文章写得不错,就是结构太乱了,敦促麦克斯韦一定要提升论文的写作技巧,结果麦克斯韦回去之后就开创了维多利亚时代科学家中最流畅的写作风格,维多利亚时代的科学论文,很多就是仿照麦克斯韦的风格。后来的麦克斯韦更是用了三年的时间修完了大学四年的课程。
麦克斯韦没学够,于是又转到了剑桥大学的三一学院,就是那个出人才都出麻了学院,课代表们可以把这个学院知名校友的名字打在弹幕上。在毕业时,他获得了数学荣誉学位考试优胜者第二名,这个含金量大概和一个奥运会银牌相当。
你所不知道的“麦克斯韦”
接下来,我们就要进入麦克斯韦开挂般的学术生涯了,在大多数人的印象里,麦克斯韦的方程组将电与磁两种看似毫不相干的现象统一了起来。没错,这绝对是麦克斯韦一生最牛的贡献。但是,麦克斯韦的其他成果也同样惊人的,但因为麦克斯韦方程组太过于耀眼了,掩盖了其他的学术贡献。物理课本上其实还有很多内容都是麦克斯韦的提出的,只是咱们并不知道。他的各项研究成果如果放到20世纪,估计每隔上几年就得趟斯德哥尔摩领诺贝尔奖,就连爱因斯坦都把麦克斯韦当成自己的偶像之一,咱们就来细数一下麦克斯韦有多少成就吧:
首先,麦克斯韦可以称得上是颜色学研究的一个开山鼻祖。我们都知道,光的三原色和颜料的三原色是不同的,在颜料调配当中,只要适当控制红黄蓝三种颜色的比例,就可以调配出除白和灰以外所有颜色。而光则有所不同,它的三原色是红绿蓝三种颜色,控制这三种颜色光的亮度比例,就可以形成任何一种颜色的光。托马斯杨于19世纪初提出了光的红绿蓝三原色说,而让这一理论得到验证的人正是麦克斯韦,除此之外他还提出了光的混合与颜料混合之间的本质区别,同时推导出了一个公式,通过这个公式人们可以计算出任何一种颜色的光所需的原色光比例。我们如今的电视和电脑屏幕的显像,都是运用着这个原理,让我们能够在电子屏上看到一个多姿多彩的世界。
在一次麦克斯韦关于颜色理论的宣讲当中,他为了向听众们说明他的理论,使用当时已经成熟的照相技术对一个彩色的缎带进行了拍摄。在当时,照相技术只能拍摄单色的照片,所以基本全都是黑白照。而麦克斯韦让摄影师分别使用红色、绿色、蓝色的三种颜色的滤镜对同一个缎带进行拍摄,随后将这三个图像叠加到一起后投影到了屏幕上,这时奇迹发生了,三色叠加后的影像完全还原了缎带的实际颜色!没错,这就是人类历史上的第一张彩色照片,它的名字后来被称为“塔尔坦丝带”,而制造这第一张彩色照片的人正是麦克斯韦以及他带来的摄影师。
人类历史上的第一张彩色照片——塔尔坦丝带
人类历史上的第一张彩色照片——塔尔坦丝带
而且,麦克斯韦差一点就成为了眼底镜的发明人,这种仪器如今在医院的眼科中是必不可少的。他可以帮助医生轻松观察到患者眼球后面视网膜血管以及视神经的情况。麦克斯韦因为对人眼观察颜色时的反应感兴趣,于是想要设计一个工具来观察人眼视网膜的构造,结果就自己在家捣鼓出了这个东西。然而,德国科学家亥姆霍兹已经先一步的成为了这项工具的发明人。不过麦克斯韦在自己制作眼底镜时并没有了解过亥姆霍兹的想法,同样也是独立研究出来的,虽然晚了一步,但确实也是很厉害的。
物理学界全能人物
除此之外,你知道麦克斯韦还是个天文学家吗?你应该知道,土星的外围环绕着三颗美丽的光环,那么,这些光环是什么东西组成的呢?虽然它的名字叫光环,但显然不可能真的是光组成的,毕竟光肯定不可能老老实实的绕着星球围出一个圆环来,那么这个光环到底是气体、还是液体,还是什么其他的物质?这个问题在当时困扰了天文学界二百多年。而解开这个谜团的人也是麦克斯韦。他通过自己的数学技巧进行了分析,论证出了土星的光环并非实心物体,也并非气体和液体,将种种不可能的情况排除的之后,麦克斯韦论证了土星环一定是一些细小微粒的组合,因为这些微粒太小,相隔的距离又太长,所以我们从远处看到它们的时候就呈现出了光环的样子。后来的天文观测也确实证明了麦克斯韦当初的结论是正确的。
到这还没完呢,麦克斯韦还是热动力学当中的一个重要人物。我们都知道气体分子的运动是杂乱无章的,当时的人们以为,在给定的温度下所有气体分子都应该是按照同一速度运动,但麦克斯韦觉得这是错的,气体分子之间每时每刻都会发生碰撞,速度怎么可能一直相同呢?他想要使用牛顿动力学解决气体分子运动速度的问题,但发现分子的数量太多了,计算根本无从下手。
于是,他开创了一种前所未有的统计学方法:也就是“麦克斯韦分布”来解释这些问题。这个理论成功解释了气体的许多基本性质,就算麦克斯韦其他什么事都不做,单靠着这个理论就足够他跻身于19世纪顶尖科学家行列,而他也由此成为了气体动理论的创始人之一。热力学当中著名的“麦克斯韦妖”假想也是麦克斯韦提出来的。这只假想出来的小妖精可以观察并控制单个分子的行迹,从达成一系列颠覆热力学定律的操作。麦克斯韦妖被提出之后,科学界一直都在想办法证实观察并控制单个分子的能力不可能被实现,然而直到二十世纪,人类才真正找到证伪麦克斯韦妖的理由。
当然,以上的这些成就相比于麦克斯韦方程组,那都是小巫见大巫了。麦克斯韦方程组在整个物理学界都是神一般的存在,凡是能够真正看懂这组公式的人,无一不会惊叹道这个世界上怎么会有如此精妙的公式!麦克斯韦用一种无比优美的方法,将自然界中电与磁这两种看似毫不相干的物理现象统一了起来。这个方程组不仅可以将法拉第当初的所有电学实验现象完美说明,同时还能借此推论出未知的科学理论。
麦克斯韦方程组
靠着这组方程,麦克斯韦预言出了电磁波的存在,并且推断我们日常见到的光就是一种电磁波。麦克斯韦用他的方程组告诉了物理学界这么一个道理:我们日常看到的物理现象或许只是一些深层次物理定律的外在表现,而那些深层次的物理定律往往是简短而精妙的。物理学的终极目标就是像麦克斯韦当初统一电与磁一样,将自然界的四种基本作用力统一起来,届时,人类就可以解开物理学的所有奥秘,成为宇宙真正的主宰,爱因斯坦生命的最后一段日子一直致力于此,但可惜最终未能成功。
天才的落幕
有人曾这样说:麦克斯韦是牛顿与爱因斯坦之间一个承上启下的人物,他将牛顿在绝对时空观下所开创的经典力学进行了最大程度的完善,又为爱因斯坦的相对时空观的出现奠定了基础。他所出版的著作《电磁通论》被认为是继牛顿的《自然哲学的数学原理》之后最伟大的物理学著作。麦克斯韦方程组是电力时代与信息时代的基石,没有电磁学,信息发达的现代文明根本无从谈起,如果没有麦克斯韦,可能手机电脑都只是科幻小说中的仪器。
可是,像麦克斯韦这样的天才却往往是不幸的,1865年,正值壮年的他却因为长期劳累的工作而不幸染病。在生命的最后几年,他将自己一生最重要的工作《电磁通论》整理完成,然而,人们对他书中提出的先进理论还没有办法验证,对这一理论的质疑声也不在少数。直到1887年,德国的实验物理学家赫兹用实验成功证明了麦克斯韦理论的正确性,同时也开创了无线电电子技术的新纪元。
麦克斯韦的电磁理论被证实后,他在人们心中一下子就成为了一个可以对标牛顿的存在,牛顿在绝对时空观下开创了一个物理学的图景,而麦克斯韦把这片图景几乎完全描绘完成了,可是,此时的麦克斯韦已经无法享受那应当属于自己的荣誉了——他早因为疾病的恶化而永远长眠在了剑桥。从1877年的春天开始,麦克斯韦就被确诊患上了严重的胃灼热病,吞咽功能变得越来越困难,后来不得不用牛奶来代替肉类的摄入,随后,他又不幸确诊了腹部肿瘤。1879年,年仅48岁的麦克斯韦匆匆地就告别了人世。
如果麦克斯韦的生命能再长一些,他会不会做出更多伟大的科学贡献呢?我想这完全是有可能的,但是没有办法,历史没有如果。然而幸运的是,科学的发展不会因为一个人的逝去而被限制,它只会随着时间的推移而越发繁茂,麦克斯韦从前一辈的学者手中接过了接力棒,并且出色的完成了属于自己的任务,他走后,也会有出色的人继承他的意志,完成他未完成的探索,麦克斯韦去世的同一年,科学界的又一代新星——爱因斯坦出生了。他不仅在麦克斯韦方程组的基础上更进一步完善了人类对自然的认知,也给人类开启了一个新的宇宙观。
时移世易,下个接过接力棒的人,又会是谁呢?
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