徐漢屏

●麥克斯韋——電磁學(xué)理論的集大成者

麥克斯韋，英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。

1831年11月13日，麥克斯韋出生于蘇格蘭的愛丁堡，他自幼聰穎，父親是個知識淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育，麥克斯韋10歲時進入愛丁堡中學(xué)學(xué)習(xí)，14歲就在愛丁堡皇家學(xué)會會刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問題的論文，已顯露出出眾的才華。

1847年，16歲的麥克斯韋中學(xué)畢業(yè)，進入愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)，這里是蘇格蘭的最高學(xué)府，他是班上年紀(jì)最小的學(xué)生，考試成績卻總是名列前茅，他在這里專攻數(shù)學(xué)和物理，并且顯示出非凡的才華，他讀書非常用功，但并非死讀書，在學(xué)習(xí)之余他仍然寫詩，閱讀課外書籍，積累了相當(dāng)廣泛的知識，在愛丁堡大學(xué)，麥克斯韋獲得了攀登科學(xué)高峰所必備的基礎(chǔ)訓(xùn)練，1850年，麥克斯韋轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院數(shù)學(xué)系學(xué)習(xí)，1854年以第二名的成績獲史密斯獎學(xué)金，畢業(yè)后留校任職兩年，1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳學(xué)院任自然哲學(xué)教授，1860年到倫敦國王學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授，1861年選為倫敦皇家學(xué)會會員。

麥克斯韋大約于1855年開始研究電磁學(xué)，在潛心研究了法拉第關(guān)于電磁學(xué)方面的新理論和思想之后，堅信法拉第的新理論包含著真理，于是他抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，決心把法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來，他在前人成就的基礎(chǔ)上，對整個電磁現(xiàn)象作了系統(tǒng)、全面的研究，憑借他高深的數(shù)學(xué)造詣和豐富的想象力接連發(fā)表了電磁場理論的三篇論文：《論法拉第的力線》、《論物理的力線》、《電磁場的動力學(xué)理論》。

1865年春，麥克斯韋辭去教職回到家鄉(xiāng)，系統(tǒng)地總結(jié)前人和他自己關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美的數(shù)學(xué)形式表示出來，并于1873年出版了科學(xué)名著《論電和磁》，系統(tǒng)、全面、完美地闡述了電磁場理論，這一理論經(jīng)后人整理和改寫，成為描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關(guān)系的麥克斯韋方程組，它含有四個方程，分別為：電荷是如何產(chǎn)生電場的高斯定理；論述了磁單極子不存在的高斯磁定律；電流和變化的電場是怎樣產(chǎn)生磁場的麥克斯韋-安培定律，以及變化的磁場是如何產(chǎn)生電場的法拉第電磁感應(yīng)定律，這一理論成為經(jīng)典物理學(xué)的重要支柱之一，麥克斯韋還預(yù)言了電磁波的存在，電磁波只可能是橫波，并計算了電磁波的傳播速度等于光速，同時得出結(jié)論：光是電磁波的一種形式，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象之間的聯(lián)系，這種理論預(yù)見后來得到了充分的實驗驗證，他為物理學(xué)樹起了一座豐碑，造福于人類的無線電技術(shù)，就是以電磁場理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。

在熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)方面，麥克斯韋也作出了重要貢獻(xiàn)，他是氣體動理論的創(chuàng)始人之一，1859年他首次用統(tǒng)計規(guī)律得出麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀量求統(tǒng)計平均值的更確切的途徑，1866年他給出了分子按速度的分布函數(shù)的新推導(dǎo)方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎(chǔ)的，他引入了馳豫時間的概念，發(fā)展了一般形式的輸運理論，并把它應(yīng)用于擴散、熱傳導(dǎo)和氣體內(nèi)摩擦過程，1867年引入了“統(tǒng)計力學(xué)”這個術(shù)語。

麥克斯韋是運用數(shù)學(xué)工具分析物理問題和精確地表述科學(xué)思想的大師，同時也非常重視實驗，他1871年受聘為劍橋大學(xué)新設(shè)立的卡文迪許實驗物理學(xué)教授，負(fù)責(zé)籌建著名的卡文迪許實驗室，1874年建成后擔(dān)任這個實驗室的第一任主任，麥克斯韋很重視科學(xué)方法的訓(xùn)練，特別是科學(xué)史的研究，他曾用了幾年的時間整理一百年前卡文迪許有關(guān)電學(xué)實驗的論著，并帶領(lǐng)大家重復(fù)和改進了卡文迪許做過的一些實驗，在他和以后幾位主任的領(lǐng)導(dǎo)下，卡文迪許實驗室發(fā)展成了舉世聞名的學(xué)術(shù)中心之一。

1879年11月5日，麥克斯韋因患癌癥在劍橋逝世，終年只有49歲，物理學(xué)史上一顆可以同牛頓交相輝映的明星隕落了，他正當(dāng)壯年就不幸夭折，這是非?？上У?。

麥克斯韋一生主要從事電磁理論、分子物理學(xué)、統(tǒng)計物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、彈性理論方面的研究，尤其是他建立的電磁場理論，將電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)統(tǒng)一起來，是19世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的最光輝的成果，是科學(xué)史上最偉大的綜合之一，科學(xué)史上，稱牛頓把天上和地上的運動規(guī)律統(tǒng)一起來，是實現(xiàn)第一次大綜合，麥克斯韋把電、光統(tǒng)一起來，是實現(xiàn)第二次大綜合；牛頓的經(jīng)典力學(xué)打開了機械時代的大門，而麥克斯韋的電磁學(xué)理論則為電器時代奠定了基石，因此應(yīng)與牛頓齊名，他的理論為近代科學(xué)技術(shù)開辟了一條嶄新的道路，愛因斯坦在自傳中說：“在我求學(xué)的時代，最吸引人的題目就是麥克斯韋的理論”，“特殊的相對論起源于麥克斯韋的電磁場方程”，1931年，在紀(jì)念麥克斯韋誕生100周年時，愛因斯坦把麥克斯韋的電磁場貢獻(xiàn)評價為“自牛頓時代以來物理學(xué)所經(jīng)歷的最深刻最有成效的變化?！?/p>

可是他的功績，在他活著的時候卻沒有得到人們重視，麥克斯韋的一生，是叱咤風(fēng)云的一生，也是自我犧牲的一生，這位科學(xué)巨匠生前得到的榮譽遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及法拉第，直到他死后許多年，在赫茲證明了電磁波存在以后人們才意識到他的偉大，并且公認(rèn)他是“牛頓以后世界上最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家”。

●伽利略——近代科學(xué)之父

伽利略，意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家和哲學(xué)家。

1564年2月15日，伽利略出生在意大利西海岸比薩城一個破落的貴族之家，1581年，伽利略考進了比薩大學(xué)，在宮廷數(shù)學(xué)家里奇的悉心輔導(dǎo)下，他把阿基米德的浮力原理和杠桿原理結(jié)合起來，獲得了精密的測量方法，發(fā)明了用以測定合金成分的“液體靜力天平”，引起了學(xué)術(shù)界的注意。

1583年，有一次，他站在比薩的天主教堂里，眼睛盯著天花板，一動也不動，他用右手按左手的脈搏，看著天花板上來回?fù)u擺的燈，他發(fā)現(xiàn)，這燈的擺動雖然是越來越弱，以至每一次擺動的距離漸漸縮短，但是，每一次搖擺需要的時間卻是一樣的，于是，伽利略做了一個適當(dāng)長度的擺錘，測量了脈搏的速度和均勻度，從這里，他找到了擺的規(guī)律，擺鐘就是根據(jù)他發(fā)現(xiàn)的這個規(guī)律制造出來的。

1589年夏天，他受聘為比薩大學(xué)數(shù)學(xué)教授，年僅25歲，第二年的一天，年輕的伽利略邀請比薩的一些學(xué)者和大學(xué)生來到斜塔下面，他和他的助手登上斜塔，讓一個重一百磅和一個重一磅的鐵球，同時由塔上自由下落，輕的和重的幾乎同時落地，他把實驗重復(fù)一次，結(jié)果仍然相同，伽利略通過這一實驗推翻了亞里士多德“物體下落速度和重量成比例”的學(xué)說，糾正了這個持續(xù)了2000年之久的錯誤結(jié)論，進而發(fā)現(xiàn)了自由落體定律，但伽利略卻因此觸怒了比薩大學(xué)里亞里士多德學(xué)派的信徒，被趕出了比薩大學(xué)，伽利略在比薩斜塔做實驗的說法后來被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目甲C否定了，盡管如此，來自世界各地的人們都要前往參觀，他們把這座古塔看作伽利略的紀(jì)念碑。

離開比薩大學(xué)后，伽利略來到學(xué)術(shù)自由的帕圖拉大學(xué)，每逢他上課時，大廳里擠得水泄不通，遠(yuǎn)至瑞典和蘇格蘭的學(xué)生也慕名遠(yuǎn)道而來，他們中間的許多人，后來都成了著名的學(xué)者，伽利略給學(xué)生們講宇宙，并告訴他們，宇宙中沒有任何東西是一成不變的，這與亞里士多德的學(xué)說正好相反，他還告訴學(xué)生，所有東西、所有原子、所有星球都在運動。

伽利略曾非正式地提出過慣性定律和外力作用下物體的運動規(guī)律，這為牛頓正式提出運動第一、第二定律奠定了基礎(chǔ)，在經(jīng)典力學(xué)的創(chuàng)立上，伽利略可以說是牛頓的先驅(qū)在發(fā)現(xiàn)慣性定律的基礎(chǔ)上，伽利略提出了相對性原理：力學(xué)規(guī)律在所有慣性坐標(biāo)系中是等價的，力學(xué)過程對于靜止的慣性系和運動的慣性系是完全相同的，可以換句話說，在一系統(tǒng)內(nèi)部所做任何力學(xué)的實驗都不能夠決定一慣性系統(tǒng)是在靜止?fàn)顟B(tài)還是在做勻速直線運動。

1593年，伽利略發(fā)明了溫度計，那是一根一端敞口的玻璃管，另一端帶有核桃大的玻璃泡，使用時先給玻璃泡加熱，然后把玻璃管插人水中，隨著溫度的變化，玻璃管中的水面就會上下移動，根據(jù)移動的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低溫度計有熱脹冷縮的作用，所以這種溫度計受外界大氣壓強等環(huán)境因素的影響較大，測量誤差較大，后來伽利略的學(xué)生和其他科學(xué)家，在這個基礎(chǔ)上反復(fù)改進，如把玻璃管倒過來，把液體放在管內(nèi)，把玻璃管封閉等。

1609年，伽利略聽說荷蘭人發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，他通過別人的一點描述，憑著自己獨特的天賦，經(jīng)過刻苦鉆研和實驗，成功地研制了世界上第一架放大倍數(shù)為33倍的天文望遠(yuǎn)鏡，并用來觀測天體，他發(fā)現(xiàn)了月球表面的凹凸不平，并親手繪制了第一幅月面圖，伽利略又發(fā)現(xiàn)了木星的四顆衛(wèi)星，為哥白尼學(xué)說找到了確鑿的證據(jù)，標(biāo)志著哥白尼學(xué)說開始走向勝利，借助于望遠(yuǎn)鏡，伽利略還先后發(fā)現(xiàn)了土星光環(huán)、太陽黑子、太陽的自轉(zhuǎn)、金星和水星的盈虧現(xiàn)象、月球的周日和周月天平動，以及銀河是由無數(shù)恒星組成等等，1610年，伽利略出版了他的《星際使者》，向全世界宣布了他的上述發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)開辟了天文學(xué)的新時代，為了紀(jì)念伽利略的功績，人們把木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四命名為伽利略衛(wèi)星，當(dāng)時，人們爭相傳頌：“哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙”，今天，科學(xué)家霍金說，“自然科學(xué)的誕生要歸功于伽利略，他這方面的功勞大概無人能及?！?/p>

1611年，伽利略在《關(guān)于太陽黑子的通信》中，肯定太陽是宇宙的中心，維護哥白尼的“日心說”，然而，當(dāng)時勢力強大的教會反對哥白尼的“日心說”，他們認(rèn)為地球是宇宙的中心，太陽是圍繞地球轉(zhuǎn)動，而地球是不動的，因此教會在1616年給伽利略下了一道禁令，不準(zhǔn)講授哥白尼的學(xué)說。

1623年，伽利略冒險開始他最有名的著作——《關(guān)于兩種世界體系之間的對話》的寫作，隨后的6年時間里，他完成了他的杰作，在書中他巧妙地闡明了自己支持哥白尼學(xué)說的證據(jù)，而反對哥白尼“日心說”的人的辯解卻愚蠢而無力，1632年，這本書得以出版發(fā)行，但是，教會的權(quán)威人士很快就發(fā)現(xiàn)了伽利略仍在支持哥白尼的“日心說”，于是便一次又一次地把他押上宗教法庭。

當(dāng)時的伽利略已年近七旬，身患重病，體質(zhì)虛弱，在宗教法庭上，他的精神和肉體受盡了折磨，1633年6月22日，他被迫雙膝跪地發(fā)誓，“放棄、詛咒、痛恨”過去的種種錯誤，但伽利略剛宣布完他的誓言，就大聲喊道：“不管怎么說，地球畢竟是在運動著的”，這說明伽利略并沒有放棄自己所堅持的學(xué)說，伽利略被判處終身監(jiān)禁，監(jiān)外執(zhí)行。

經(jīng)過3年的頑強拼博，他又完成了一部巨著《關(guān)于力學(xué)和位置運動的兩種新科學(xué)的對話和數(shù)學(xué)證明》，在書中，他大膽敘述了物體的各種運動和動力學(xué)有關(guān)的一些問題，為近代實驗科學(xué)的發(fā)展，開辟了廣闊的道路，這部書被偷運到荷蘭出版時，伽利略已雙目失明。

1642年1月8日，這位終身為科學(xué)真理而斗爭的偉大巨人含冤離開了人世，1983年，羅馬教會終于為伽利略冤案公開平反。

伽利略有句名言：“生命有如鐵砧，愈被敲打，愈能發(fā)出火花，”是的，生命無比堅強，人生需要磨礪，讓我們在不斷的困難之中堅持不懈，在打擊和磨難之中顯現(xiàn)生命的光芒和意義。