时间: 2021-07-31 08:58:21 | 来源: 喜蛋文章网 | 编辑: admin | 阅读: 102次
客观地说,仅仅从成就来看,牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦三人应该是并驾齐驱的,是理论物理学史上毫无争议的第一梯队的存在,而且第一梯队有且只有这三位而已。可我们会发现,在很多人眼里麦克斯韦的地位似乎远不如牛顿、爱因斯坦,甚至都不如伽利略。不仅如此,很多人对牛顿、爱因斯坦的生平了解的很多,但很少人了解麦克斯韦的生平。
那问题就来了,为什么我们说单从成就上看,麦克斯韦并不亚于牛顿和爱因斯坦?又为什么,麦克斯韦并不如牛顿、爱因斯坦为人所知?
理论物理学家的梦想
我们来先来解决第一个问题。其实,从古至今,理论物理学家都有一个梦想,这个梦想就是提出大一统理论。那为什么是大一统理论呢?说白了就是用一套理论解释所有的物理学现象。这个梦想不仅牛顿有,爱因斯坦也有,而且两人晚年都为此付出了许多的努力,但都没有任何结果。
不过,从这个方面,我们也能了解到,就像古代帝王喜欢统一,理论物理学家也喜欢统一。而凡是能仅凭一人之力或者说单打独斗,就完成部分统一的理论物理学家都可以跻身到理论物理学史上第一梯队的行列当中。而在这个梯队中,有且仅有三位实现了部分的统一:
牛顿提出了牛顿力学,万有引力定律,统一了“天上”和“地上”的物理学;(在此之前,亚里士多德世界观中,天上和地上遵循两套完全不同的规律。)
麦克斯韦提出了麦克斯韦方程,统一了“电”和“磁”,并且预言了电磁波的存在,同时光就是一种电磁波。(后来,他的理论被赫兹所证明。)
爱因斯坦提出了相对论,在狭义相对论部分,他统一了“时间”和“空间”,“能量”和质量。在广义相对论部分,他给出了引力本质的诠释。
而诸如量子力学和近现代的粒子物理标准模型,实际上都是一群人一起努力的结果。量子力学前前后后经历了多代物理学家,比如:第一代的普朗克、爱因斯坦;第二代的波尔、索末菲、波恩;第三代的海森堡、薛定谔、狄拉克等。
至于粒子物理学标准模型也是这样,有杨振宁、温伯格、希格斯、费曼、盖尔曼等等几十位甚至是上百的科学家共同努力得以完善。
因此,这才使得牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦拥有如此崇高的历史地位。
麦克斯韦为什么不为人所知?
实际上,如果经常到学校里转转,我们确实能够看到麦克斯韦的画像。但即使是这样,麦克斯韦的名声还远不及牛顿、爱因斯坦。各种原因,我觉得和学生时代的知识结构有关。我们了解牛顿,是因为我们初中、高中都会接触到物理学,而其中最核心的牛顿力学,也是学生们主要学的。
虽然也会学一些电磁学理论,但如果仔细去看的话,我们会发现学的这些电磁学理论都是经过简化的。所谓的安倍定则,欧姆定律,楞次定律等等,就是没有接触到麦克斯韦方程。因此,你很难感受得到麦克斯韦方程如何统一了电磁学。
实际上,初高中学的这些电磁学理论都是在某种假定条件下得到的,只是麦克斯韦方程理论的一部分而已。如果真的让学生们去学麦克斯韦方程,估计挂科率肯定是止不住了。也因此,我们上高中物理课时,根本不会接触到麦克斯韦这个人,也就无法知道他到底有多厉害。
而相对论虽然很多人都不懂,但是相对论的名气要远远大于麦克斯韦方程。平时没事谈相对论和量子力学都会让人觉得你特别有学识,但你见过谁会没事跟你说,我们来聊一聊麦克斯韦方程?
而且像相对论中的质能方程,以及量子力学中的薛定谔的猫其实都已经成为了时下的流行用法。因此,也使得这两个理论成为了大家耳熟能详的理论。(当然,其实大多数人都搞不懂这两个理论到底说了啥。)
基于这两点,不熟悉和不够流行,才使得麦克斯韦远远不如牛顿、爱因斯坦受到普通人的关注多,也就会让人觉得他似乎学术地位远不如牛顿和爱因斯坦。但我们客观地说,他其实是可以和牛顿、爱因斯坦平起平坐的存在。
其实论科学的成就,麦克斯韦一点都不输牛顿、爱因斯坦,那为什么麦克斯韦却鲜有名气呢?
小编认为主要有以下原因:
一、电磁学具现化了,力学和相对论还没研究透
电磁学的从奥斯特、法拉第和麦克斯韦一系列科学家的努力下,从理论到实践,让“电”这个抽象的物理概念在现实中实现了。电的发明无疑对人类近代文明的发展有着非常深远的意义。
但科学家们对力学和相对论的研究还在继续当中,在研究的过程中,牛顿以及爱因斯坦的理论起到了很大的作用,所以科学们还在继续推崇他们。
这个跟明星走红一样,麦克斯韦的电磁学已经有点过气了,就是不红了,而牛顿、爱因斯坦还是当红的明星。这只是受到的关注度不同而已,实际上并不影响他们实质上对科学的贡献。
二、相对来说,牛顿和爱因斯坦的创造性更强一点
大家都知道无论是牛顿建立的的经典力学、还是爱因斯坦的相对论,都是从无到有研究出来的,就是从一个概念性的想法到,形成一套系统的理论,这一点也是起了奠基人的作用。就是说,如果没有了牛顿和爱因斯坦的大胆想法,那么很可能经典力学和相对论的概念会推迟几十年或是几百年才会出现。
所以,在牛顿和爱因斯坦身上,多了一个创造力的品质在。而麦克斯韦是在众多前辈的基础上,再进行深入一层创造、统合和集成于一体。
三人的成就:
麦克斯韦
麦克斯韦是继法拉第之后,集电磁学大成的伟大科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果,建立了第一个完整的电磁理论体系,不仅科学地预言了电磁波的存在,而且揭示了光、电、磁现象的本质的统一性,完成了物理学的又一次大综合。
牛顿
牛顿在伽利略等人工作的基础上进行深入研究,总结出了物体运动的三个基本定律(牛顿三定律):①任何物体在不受外力或所受外力的合力为零时,保持原有的运动状态不变,即原来静止的继续静止,原来运动的继续作匀速直线运动。②任何物体在外力作用下,运动状态发生改变,其动量随时间的变化率与所受的合外力成正比。通常可表述为:物体的加速度与所受的合外力成正比,与物体的质量成反比,加速度的方向与合外力的方向一致。③当物体甲给物体乙一个作用力时,物体乙必然同时给物体甲一个反作用力,作用力和反作用力大小相等,方向相反,而且在同一直线上。这三个非常简单的物体运动定律,为力学奠定了坚实的基础,并对其他学科的发展产生了巨大影响。第一定律的内容伽利略曾提出过,后来R.笛卡儿作过形式上的改进,伽利略也曾非正式地提到第二定律的内容。第三定律的内容则是牛顿在总结C·雷恩、J·沃利斯和C·惠更斯等人的结果之后得出的。
牛顿是万有引力定律的发现者。他在1665~1666年开始考虑这个问题。1679年,R·胡克在写给他的信中提出,引力应与距离平方成反比,地球高处抛体的轨道为椭圆,假设地球有缝,抛体将回到原处,而不是像牛顿所设想的轨道是趋向地心的螺旋线。牛顿没有回信,但采用了胡克的见解。在开普勒行星运动定律以及其他人的研究成果上,他用数学方法导出了万有引力定律。
牛顿把地球上物体的力学和天体力学统一到一个基本的力学体系中,创立了经典力学理论体系。正确地反映了宏观物体低速运动的宏观运动规律,实现了自然科学的第一次大统一。这是人类对自然界认识的一次飞跃。
爱因斯坦
他一生中开创了物理学的四个领域:狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论。他是量子理论的主要创建者之一,在分子运动论和量子统计理论等方面也做出了重大贡献。
爱因斯坦于1905年发表了《论动体的电动力学》的论文,提出了狭义相对性原理和光速不变原理,建立了狭义相对论。据此他进一步得出质量和能量相当的质能公式E=mc2 。狭义相对论揭示了作为物质的存在形式的空间和时间的统一性,力学运动和电磁运动学上的统一性,进一步揭示了物质和运动的统一性,为原子能的利用奠定了理论基础。
1915年爱因斯坦创建了广义相对论,进一步揭示了四维空间时间物质的关系。根据广义相对论的引力论,他推断光处于引力场中不沿直线而是沿着曲线传播,1919年这种预见在英国天文学家观察日蚀中得到证实。1938年爱因斯坦在广义相对论的运动问题上获得重大进展,从场方程推导出物体运动方程,由此进一步揭示了时空、物质、运动和引力的统一性。
爱因斯坦在量子论方面做出了巨大贡献。1905年他提出能量在空间分布不是连续的假设,认为光速的能量在传播,吸收和产生过程中具有量子性,并圆满地揭示了光电效应。这是人类认识自然过程中,历史上首次揭示了辐射的波动性和粒子性的统一。1916年爱因斯坦在关于辐射的量子论的论文中,提出了受激辐射的理论,为今天的激光技术打下了理论基础。
广义相对论之后,爱因斯坦在宇宙与引力和电磁的统一场论两方面进行探索。为了证明天体在空间中静止的分布,以引力场为根据,提出了一个有限无边的静止的宇宙模型,该模型是不稳定的。从引力场方程可预见星系分离运动,后来的天文观测到这种星系分离运动。
承前启后的人和事,都不会太出名
麦克斯韦,就处在这么一个位置上。
但,比不过牛顿和爱因斯坦,也不能全怨在位置上。在思想和开创性上,麦克斯韦真得没法与牛顿和爱因斯坦比。
牛顿三大定律,是三个数学公式,但也是三条物理解释。可以将其概括为一句话,那就是:匀速直线运动和静止其实是一回事,只是力改变了他们的状态。
不要小瞧牛顿三大定律的三句话,牛顿实现了一种从0到1的飞跃,以此为基础搭建了整个近代物理学大厦。
而且,牛顿的成就远不止三大定律,还有微积分、光粒子说,以及将力学和微积分运用到天文学。
所以,诗人亚历山大·波普才会说:
自然和自然律隐没在黑暗中;神说,让牛顿去吧!万物遂成光明。
牛顿这种成就,几乎无人能够撼动。但是,长江后浪推前浪,后浪一定要赶上来。于是,接下来就轮到麦克斯韦出场了。
麦克斯韦提出了一组四个方程式,用来描述电磁现象。也可以将其概括为一句话:电和磁实际上是一回事,变化的电场产生磁场、变化的磁场产生电场。
但是,这里面蕴含着一个重大发现,这个发现却给当时的物理学界制造了巨大麻烦。而这个麻烦连麦克斯韦也没能想明白。
既然电和磁是一回事,变化的磁场产生电场、变化的电场产生磁场,那么一个产生振荡电流的线圈,就会产生一个周期变化的磁场,接着磁场产生电场、电场产生磁场。如此循环往复下去,这会是什么呢?这就是电磁波。而通过计算,麦克斯韦发现电磁波的速度和光速是一样的。于是,得出结论:光就是一种电磁波。
但是,麻烦马上出现。
在伽利略的相对论中,已经出现了坐标的概念。速度必须放在坐标中讨论才有意义。你骑在马上射出一支箭,以你为坐标,箭的速度是50米每秒。但是,以目标为坐标,就得是箭的速度加上马的冲击速度。假如马的速度是20米每秒,那么,弓骑手你射出去的箭,其速度就是70米每秒。
但是,光这种电磁波,它的速度到底是相对于谁呢?你站着不动打出去一束光,是30万米每秒(取通常约数);你骑在每秒20米的战马上打出去一束光,也是30万米每秒,而不会是30万加20米每秒。
这个麻烦就是:光速到底是相对于谁的?
直到爱因斯坦提出了相对论,这个问题才被解释清楚。
光的速度永远不变,不管你是骑在马上射出去一道光、还是在高速飞行的宇宙飞船上射出去一道光,光速永远是c。
这是爱因斯坦的断言,而爱因斯坦的解释:不是光速出了问题,而是你的时空观出了问题。其中爱因斯坦做了一系列的数学推导,这里就不说了。把这些复杂的数学推导通俗化,就是:运动物体的时间会变慢。
而伽利略的相对性和牛顿力学,只是低速运动下的特例而已。
牛顿有数学,也有思想,开创了科学的新时代;爱因斯坦有数学、也有思想,而且把物理学带入了新时代。夹在中间的麦克斯韦却只有一组方程式的数学和一个电磁波的发现。所以,从思想和开创性上,麦克斯韦差了一大截。
但,麦克斯韦不重要吗?
很重要,因为没有麦克斯韦的理论就不会有爱因斯坦的相对论。所以,费曼才会说:
麦克斯韦发现电动力学定律将被判定为19世纪最重要的事件。与这一重要科学事件相比,发生于同一个10年中的美国内战,将褪色而成为只有区域性的意义。
在费曼看来,麦克斯韦的电动力学比持续10年的美国内战更有意义。所以,麦克斯韦也是一个伟大的英雄。牛顿和爱因斯坦值得被记住,麦克斯韦也值得被记住。
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