在物理學中
有一座榮譽殿堂
里面是為物理作出重大貢獻的人們
其中
有三尊神矗立在最高峰
第一位,不必多說,牛頓。
第二位,也沒有爭議,愛因斯坦。
那第三位呢?
有人說法拉第,有人說特斯拉,但是實際上在那里的人,叫做麥克斯韋。
等等,麥克斯韋是誰?
如果說牛頓是統(tǒng)一了天上和地上的力,那麥克斯韋就是統(tǒng)一了電學、磁學、光學的另一位集大成者。
當然,要說他的故事,就還得從他的前輩,同樣偉大的法拉第說起。
- 法拉第之章 -
Faraday's Chapter
貧窮使我理智
法拉第,何許人也?生于英國,鐵匠家庭。
有人會覺得,這不是還可以嗎?但是法拉第也很悲慘地擁有了一個特殊的背景——貧窮。
這一切還得拜牛頓和瓦特所賜。第一次工業(yè)革命轟轟烈烈的開啟了機器大生產(chǎn)的時代,法拉第家的小作坊自然就成了工業(yè)革命的犧牲品,加上父親體弱多病……
所以法拉第只讀了兩年小學就輟學了。
輟了學的法拉第上了街,成了一個賣報的小行家。后來又去了書店成為了學徒。
一直以來,送快遞的不能試用顧客的商品,但是賣報訂書的卻可以隨時閱覽。所以說,和圖書打交道的職業(yè),真的前途是遠大??!
就在書店學徒的期間,法拉第如饑似渴地閱讀各類書籍,自學了許多自然科學知識。
要知道當時的英國,什么最走流量?不是演藝明星,而是科學家。
沒錯!科學家就是那個年代的英國網(wǎng)紅。成為科學家就代表著地位、財富還有成千上萬的追隨者。而如果進入了皇家科學院,那恭喜你,你已經(jīng)成為了全國人民的焦點。
不過法拉第的收入和地位是沒有辦法接近這些大師的。不過這時他的職業(yè)發(fā)揮了作用,他借送書的機會接觸各界名流,總算得到了幾張贈票??窟@來之不易的機會,他終于接觸到了當時的皇家科學院院長——電解狂魔戴維。
戴維通過電解,發(fā)現(xiàn)了鉀鈣鈉鎂硼硅鋇鍶等元素
戴維被他整理的精良的聽講筆記震驚不已,決定招法拉第進入皇家科學院給他當助理。
在當助理打雜的時光里,法拉第做著助手和雜役應(yīng)該做的事情,鞍前馬后地服侍戴維。而他心之所向,還是電磁學。
天才助理和腹黑導(dǎo)師
1820年,奧斯特意外地發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)——電流可以讓磁針偏轉(zhuǎn)。
安培在此基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)了電生磁的安培右手螺旋定則。
之后研究就陷于停滯了。于是法拉第抖了個機靈,既然不知道怎么讓磁針繼續(xù)偏轉(zhuǎn),莫不如反過來,看看能不能讓磁鐵驅(qū)動電流運動。
于是法拉第做成了人類歷史上第一臺電動機
然而人生的大起大落來的太快,法拉第犯下了人生中最大的錯誤——
瞞著老板
私發(fā)論文
這種“大逆不道”的行為觸犯了科學界的潛規(guī)則。在這一刻,戴維接過了皇家科學院由胡克牛頓開創(chuàng)的內(nèi)斗傳統(tǒng),腹黑地安排法拉第做光學玻璃研究,讓他接觸不到電磁學。
終于,皇天不負有心人,八年后——
戴維讓他回去了?
不是,是戴維去世了……法拉第終于回到了電磁學的研究中。
在法拉第之前,人們怎么獲得電?
最早,人們只能用摩擦起電的原理獲得電荷。后來,伏特發(fā)明了化學電池(伏打電堆),獲得了穩(wěn)定的電壓。但是這些只能用于科學研究,根本不能普及大眾。
奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁后,許多科學家都想優(yōu)先得到磁生電的原理,但是發(fā)現(xiàn)磁鐵無論如何擺放,都沒有電流產(chǎn)生。最終,這一層窗戶紙還是由八年飲冰,難涼熱血的法拉第捅破了。
最偉大的實驗學家
1831年,法拉第首先把兩條獨立的電線繞在大鐵環(huán)上,當給一條導(dǎo)線通電的時候,在通電和斷電的瞬間,另一條導(dǎo)線出現(xiàn)了電流!
然后,他讓一塊磁鐵通過導(dǎo)體線圈,線圈中也產(chǎn)生了電流!
法拉第的觀念終于構(gòu)建完成了!
不是“磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流”,而是“變化的磁場在回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流”。
由此,電磁感應(yīng)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)了。后來他依照此規(guī)律,用銅盤在磁鐵中轉(zhuǎn)動,發(fā)明了人類第一臺發(fā)電機,為第二次工業(yè)革命提供了最堅實的基礎(chǔ)。
除此之外,他還提出了“場”的概念,并引入了電場線和磁場線用來描述。
更厲害的是,在化學上,他發(fā)現(xiàn)了電解定律,推廣了陰極、陽極、離子等概念,發(fā)現(xiàn)了苯、電解飽和食鹽水制氯氣法等,被尊稱為最偉大的實驗學家。
那照你這么說,那應(yīng)該是法拉第來做這個第三人啊.
別急,故事還沒說完呢……
- 麥克斯韋之章 -
Maxwell's Chapter
另一個傳奇
就在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的同年,1831年,一個嬰兒在蘇格蘭愛丁堡呱呱墜地,他被命名為麥克斯韋。
如果法拉第是靠奮斗自學成才,那相比他來說,麥克斯韋簡直就是開掛般的人生了。
麥克
斯韋
15歲
向愛丁堡皇家學院遞交科研論文
16歲
考上大學
19歲
轉(zhuǎn)入劍橋大學
23歲
畢業(yè)留校
25歲
擔任教授
30歲
被選為英國皇家學會會員
要知道牛頓也是29歲入選皇家學會的……
1854年,23歲,剛從劍橋畢業(yè)幾星期的麥克斯韋讀到了法拉第的《電學實驗研究》,便立刻被其吸引。
在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后的二十年間,他提出了一個概念,認為電磁力是通過一種名叫“場”的物質(zhì)作用的。這直接動搖了牛頓力學的基礎(chǔ)(牛頓認為力的作用不需要距離,即“超距作用”)。法拉第為了解釋他的場,提出了電場線、磁場線等概念。但是人們依然在非議,甚至認為法拉第褻瀆了牛頓。
法拉第也想證明他是對的,但是……
他沒怎么上過學啊?。。?!
數(shù)學孱弱的法拉第對此毫無辦法,他甚至對他所有的成果都只能用直觀的方式描述。
好在這時,麥克斯韋接過了法拉第的接力棒,開始新一輪的奔跑。
歷史性的會面
1855年,麥克斯韋發(fā)表了他的第一篇電磁學論文《論法拉第的力線》,對法拉第的理論進行了一些數(shù)學描述。
法拉第在見到這篇文章之后,大喜過望,自己的想法終于有人實現(xiàn)了。他日思夜想,等著和那篇論文的作者相見的那一刻。
終于,五年后,他等到了。
1860年,麥克斯韋前往倫敦拜訪法拉第,二人相見如故。
盡管法拉第69歲,麥克斯韋29歲,一個年近古稀,一個正值壯年。
但我們?nèi)詴袊@二人的互補竟然這么美妙。
法拉第不懂數(shù)學,麥克斯韋精通數(shù)學;
法拉第善于實驗探究,麥克斯韋善于理論總結(jié);
法拉第陽光、健談,麥克斯韋內(nèi)斂、不善交流。
而他們對于物質(zhì)世界的認知是完美契合的。
我沒想到《論法拉第的力線》的作者竟然這么年輕。
老師,請您指出我這篇論文的缺點吧。
不,未來是你的,你一定會超越我。所以,請不要只停留在解釋我的層面,你需要的,是突破它!我等你的好消息,年輕人!
完美的數(shù)學證明
這番交談,讓麥克斯韋的前路一下子就豁然開朗了。
怎么突破法拉第的理論?電能生磁,磁能生電,電有電場,磁有磁場。既然相互產(chǎn)生,性質(zhì)這么接近,它們會不會是一種東西?
麥克斯韋經(jīng)過五年的潛心研究和推導(dǎo),發(fā)表了《電磁場的動力學理論》,終于給出了的完美證明。
簡潔、對稱、完美的結(jié)論誕生了!
麥克斯韋方程組
(因為絕大部分人都看不懂,所以就不放它的公式形式了)
(略o(* ̄︶ ̄*)o)
只需知道,它由以下四個部分構(gòu)成:
論述磁單極子不存在的高斯磁定律
描述變化磁場產(chǎn)生電場的法拉第電磁感應(yīng)定律
描述電流和變化電場產(chǎn)生磁場的麥克斯韋-安培定律
描述電荷如何產(chǎn)生電場的高斯定律
怎么樣,是不是很厲害?
當然能看懂的,都會在這一刻驚呼——
麥克斯韋立功了?。。?/strong>
庫侖、高斯、歐姆、安培、法拉第在這一刻靈魂附體。麥克斯韋他一個人,代表了電磁學悠久的歷史和傳統(tǒng),
在這一刻,他不是一個人在戰(zhàn)斗?。?!
他不是一個人?。。。。““““。?!
預(yù)言家實錘
麥克斯韋方程組在電磁學中的地位,就和牛頓運動定律在力學中的地位一樣,任何電磁定理都可以用它來解釋。
靠著麥克斯韋方程組,法拉第的“場”的觀點終于得到了認可,牛頓的“超距作用”觀點被打破。帶著這個美麗的結(jié)果,法拉第在兩年后含笑去世。
永不止步的麥克斯韋繼續(xù)前行,又于1873年將畢生所得匯總在了《電磁學通論》中,把人類在電磁學的幾代探索軌跡進行了系統(tǒng)的總結(jié),進一步優(yōu)化了麥克斯韋方程,建立了完整的電磁學理論,它與牛頓的《自然哲學的數(shù)學原理》、達爾文的《物種起源》并列,建立起了科學的宏偉大廈。而此時的麥克斯韋,年僅42歲。
麥克斯韋通過自己的方程組,還得到了一個大膽的預(yù)言——
1
電磁相互作用是統(tǒng)一的
2
變化的電場和磁場相互產(chǎn)生,空間中存在電磁波
3
電磁波的傳播速度是光速
4
光是一種電磁波
這是一種超越時代的理解??上溈怂鬼f還沒來得及親自發(fā)現(xiàn)電磁波,就被天妒英才了。
1879年,麥克斯韋去世。年僅48歲。
最終于1888年,德國物理學家赫茲用麥克斯韋的理論在實驗中驗證了電磁波的存在,再由馬可尼和特斯拉發(fā)明了無線電,無線信號傳輸?shù)臍v史正式開始。
尾聲
法拉第不但是一個自學典范,更是一個道德楷模。
麥克斯韋則是天才般的繼承了他的偉大,為電磁學賦予了嚴謹?shù)母挥邢胂罅Φ臄?shù)學形式,造就了人類歷史上最偉大的科學進步之一。
這兩個人的偉大接力,成為了科學史上的著名佳話,值得傳頌。
科學家之間的相互欣賞和惺惺相惜,更值得所有人學習。
沒錯,說的就是胡克和牛頓你倆!
(完)
文:原創(chuàng)
圖:原創(chuàng)
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