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本系列文章預(yù)計會有20+個章節(jié)，這套文獻(xiàn)將系統(tǒng)講述科學(xué)與技術(shù)本身，這里是第七季第11篇

--本文較長，預(yù)計閱讀9min--

一個理論的發(fā)展，很多時候都是建立在一種現(xiàn)象或?qū)嶒灥幕A(chǔ)上 ——Masir

今天這篇我們繼續(xù)來談?wù)匊溈怂鬼f的故事，順便補(bǔ)充下上篇沒有講到的內(nèi)容。

作為一名工程學(xué)專業(yè)的從業(yè)者，就應(yīng)該多研究科學(xué)的故事，嘿嘿。

好，開始

話說，1800~1850期間，物理學(xué)的發(fā)展慢慢從表象升級為可測量，也就是主要以數(shù)據(jù)量化為主題的主題，全歐洲的學(xué)者都在以前所未有的準(zhǔn)確度和精確度開展光、電、磁、熱、流體靜力學(xué)、機(jī)械力學(xué)和大量其他領(lǐng)域現(xiàn)象的實驗。

當(dāng)時的他們的目的是要用盡可能少的基于數(shù)學(xué)的定律解釋世界上的各類現(xiàn)象。

請注意數(shù)據(jù)的量化并非是指會用數(shù)學(xué)定律！

麥克斯韋做了一件什么事呢？

他主要是把關(guān)于電磁學(xué)方面的實驗結(jié)果總結(jié)成了數(shù)學(xué)定律。而實現(xiàn)這個過程實際是非常艱難的，第一個階段就耗時大約7年左右，而第二個成熟階段也用了長達(dá)幾十年時間。

好，我們來分解下這個過程。

當(dāng)時的背景是這樣的

1. 電學(xué)是推動電磁學(xué)發(fā)展的主要“蝴蝶效應(yīng)”，18世紀(jì)末開始，測量帶電物體和通

2. 電導(dǎo)線之間作用力的實驗精度開始提升，這當(dāng)然要歸功于當(dāng)時還是老師的奧斯特。

3. 當(dāng)時的邁克爾.法拉第是一個位才華橫溢的實驗學(xué)家，在電、磁以及電磁學(xué)有很多諸多的發(fā)現(xiàn)。

4. 格奧爾格，歐姆已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個能夠?qū)㈦娏骱碗妷郝?lián)系起來的電學(xué)定律。

以上是麥克斯韋進(jìn)入電磁學(xué)之前已有的結(jié)果，我們會看到，除了歐姆定律，其他全是實驗、全是實驗、全是實驗。

這時候進(jìn)入一個讓實驗產(chǎn)生數(shù)學(xué)理論是一條幾乎沒有人走過的路，而這時候麥克斯韋單刀赴會進(jìn)入了，這主要得益于他的興趣和上面各位老師激勵。

在研究之前，麥克斯韋先度了法拉第的《電學(xué)實驗研究》，然后才去思考應(yīng)該用什么樣的數(shù)學(xué)方法。當(dāng)然在這個過程中離不開對“場”的概念表述，法拉第認(rèn)為場是一種“超距作用”，而不是大部分人所說，空間只不過是一個靜止的東西。

而用數(shù)學(xué)方法證明“場”是攻克電磁理論的難題關(guān)鍵。

他的第一步實驗的具體方式則是將構(gòu)成磁場的力線與不可壓縮液體的流動做類比。

他從描述液體運(yùn)動的方程開始，推導(dǎo)出了可以應(yīng)用在電場和磁場上的類似方程?？梢哉f，這開了一個好頭。

數(shù)年后，麥克斯韋提出了一個更加宏偉的理論，把電、磁同無孔不入的以太聯(lián)系了起來——因為，當(dāng)時的人們都普遍觀點認(rèn)為，光在“以太”中以波的形式傳播。

作為建立這個理論的第一步，麥克斯韋提出了一個新的以太力學(xué)模型，把以太看作分子渦流和空轉(zhuǎn)輪的集合，當(dāng)以太受到磁場的作用時，這兩個組成部分就會運(yùn)動起來。

按照他的這個模型，這種微觀運(yùn)動產(chǎn)生了我們在日常生活中觀察到的電荷和電流。麥克斯韋假設(shè)這種運(yùn)動機(jī)制與電磁場的相互作用類似，然后用他那“近乎不可思議的物理學(xué)洞見”————推導(dǎo)出了描述電磁場的方程。

1861年年初，麥克斯韋調(diào)整了這個模型，使它能夠解釋實驗學(xué)家在電磁學(xué)實驗中觀察到的幾乎所有現(xiàn)象。

這就是麥克斯韋電磁理論的第一版，其中，電磁場變化率和其他相關(guān)量是用20個微分方程描述的。這些微分方程中有許多都帶有這個力學(xué)模型的痕跡。

麥克斯韋的第一版電磁理論為他在第二年夏天提出現(xiàn)代科學(xué)中的一大統(tǒng)一性思想奠定了基礎(chǔ)，看得出第二版才是經(jīng)典。

第二版主要做了以下修改，麥克斯韋在改良自己的理論其實最重要的就是思考自己對理論模型的認(rèn)知，他不斷反思第一版提出的這個模型，并意識到擾動可以平穿“以太”，就像穿過果凍那樣輕而易舉。

果凍

麥克斯韋在這個理論中應(yīng)用的精確數(shù)學(xué)公式此時發(fā)揮了作用：通過這些微分方程，他得以精確描述波的形狀、性質(zhì)和速度。具體的細(xì)節(jié)我們這里就不贅述了，過程還是有點復(fù)雜。

1865年，麥克斯韋提出了這個理論的改良版，他稱其為“偉大的槍炮”。這個理論不涉及任何以太的力學(xué)模型，既沒有渦流，也沒有空轉(zhuǎn)輪。它以描述電磁場變化率和相關(guān)量的微分方程為基礎(chǔ)，并且可以讓實驗學(xué)家通過實驗檢驗。

不過搞笑的是湯姆孫不喜歡用干巴巴且?guī)缀醪荒芾斫獾臄?shù)學(xué)語言闡述自然理論，他希望它們以能夠在腦海中想象的機(jī)制為基礎(chǔ)。

無論怎樣，科學(xué)的研究并不是順風(fēng)順?biāo)?，也不是完全正確，比如“以太”實際并不是一個正確而真實存在的物質(zhì)，而麥克斯韋終其一生都相信以太的存在。從19世紀(jì)30年代（在這十年中，維多利亞成了英國女王）初開始，所有英國物理學(xué)家都采納了有以太這個觀點。

麥克斯韋到最后也不知道自己預(yù)言的那種波究竟是真實存在，還是只是他的想象力在數(shù)學(xué)的引導(dǎo)下虛構(gòu)出來的產(chǎn)物。

將近10年后，物理學(xué)家海因里?！ず掌?/strong>才在他位于德國（這個反對麥克斯韋電磁理論聲音最大的國度）的實驗室中首次證明了電磁波的存在。作為這個領(lǐng)域的專家，赫茲知道，這個發(fā)現(xiàn)為所有那些不以法拉第的場概念為基礎(chǔ)的電磁理論敲響了喪鐘。

赫茲的發(fā)現(xiàn)促使一些物理學(xué)家（大多數(shù)來自英國和愛爾蘭）逐漸掌握了麥克斯韋的艱深理論，他們進(jìn)一步明確了這個理論，并且做了優(yōu)化，使其更易于使用。這些人中最出色的數(shù)學(xué)家是電報員奧利弗·亥維賽。

亥維賽在24歲的時候就退休了，自此之后就沒有正式工作，但他不知疲倦地刪除了他認(rèn)為麥克斯韋電磁理論中不必要的數(shù)學(xué)表述。

以麥克斯韋的名字命名的4個電磁學(xué)微分方程并不是由他本人寫出的，第一個公開發(fā)表它們的人是亥維賽。這個方程組描述了4種由實驗確定的現(xiàn)象：

麥克斯韋方程組積分表示

第一，電荷會在它們周圍的空間中產(chǎn)生電場；

第二，磁極總是成對出現(xiàn)；

第三，變化的磁場會產(chǎn)生電場；

第四，電流會產(chǎn)生磁場，變化的電場也能產(chǎn)生磁場。

這個方程組混雜在數(shù)百頁散文與數(shù)學(xué)文章中，刊登在了供電氣工程師和企業(yè)高管閱讀的商業(yè)期刊《電氣技師》（Electrician）上。

當(dāng)?shù)谝黄恼掳l(fā)表時，麥克斯韋已經(jīng)逝世5年多了。他——以及法拉第——若是能看到這個方程組成了在新興電氣領(lǐng)域內(nèi)工作的理論學(xué)家（尤其是那些正在開發(fā)無線電報技術(shù)的物理學(xué)家和工程師）的一大重要工具，肯定會感到欣慰。

這就是偉大的麥克斯韋一生的故事！讓我們致敬偉大的物理大師——麥克斯韋。

好，今天就到這里。

總結(jié)：

物理學(xué)一定是工程學(xué)最堅實的基礎(chǔ)，如果沒有前人的努力，我們都不會看到這個美好的時代。你說戈登.摩爾很偉大、圖靈也很偉大、發(fā)明大王特斯拉更加偉大，這當(dāng)然顯而易見。

但所有的偉大都是建立在偉大的偉大之上，自然科學(xué)是yyds。

后記：

麥克斯韋影響了誰？

阿爾伯特.愛因斯坦，麥克斯韋的理論激發(fā)了當(dāng)時還是學(xué)生的他，這個理論對發(fā)展相對論起到了靈感，個人覺得主要還是場，以太等概念。

他與誰交好？

很多人，其中就有第一代開爾文男爵，威廉.湯姆孫，現(xiàn)代熱力學(xué)之父，當(dāng)時要開展這方面的研究時，他就寫了封信給湯姆孫詢問這方面研究的最佳方式。

Masir 2022/10/29

于東莞

祝幸福~

參考文獻(xiàn):

[1] 《機(jī)械宇宙》

[2]《物理世界的數(shù)學(xué)奇跡》

[3] 《數(shù)學(xué)大師》

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