“场”的理念终于有了稳固地位13
法拉第打开看了看,一脸茫然,他问道:“小伙子,你怎么全搞成数学了?”
年轻人难免有些失望,数学不就是对物理学思想的总结与升华吗?法拉第的力线思想很重要,假如把不可压缩流体里面常用的“流线”概念与“力线”做个对比,就会发现这两者相似点很多,电场强度就好比是流体的流速,用一种充满空间的矢量来描述电磁场……
这个年轻人可能不会想到,英国著名的物理学家、化学家,号称电学之父的法拉第,居然看不懂他写的东西。这恐怕也是法拉第一生的遗憾,他没有接受过完整系统的高等教育,对于满纸的微积分符号,就像看天书一般。
有人说,中学水平的代数,法拉第马马虎虎能过关,三角函数恐怕都不熟练,何况是复杂的偏微分方程组呢。
这个年轻人就是后来大名鼎鼎的麦克斯韦,他的经历与法拉第大大不同。他来自苏格兰,自幼家境殷实,也是贵族家庭出身。十六岁进爱丁堡大学就读,十九岁到剑桥深造,年仅二十五岁就成为马歇尔学院的教授了,比别人平均早了十五年,而且还当上了系主任。现在,这个年轻人来到伦敦国王学院任教,因此才有机会参加皇家科学研究所的讲座,由此可见,此人与法拉第完全不是一个路数。不过这一老一少保持了常年的友谊,尽管交往并不太深,但是彼此都尊重对方。他俩经常在皇家科学研究所的公开讲座上碰头,年轻人观察着比自己年长四十岁的法拉第,他已经明显地衰老了,经常忘事,刚说过的话,过不多久就会忘记,甚至叫不出自己的名字。他出现了失智症的迹象,记忆正在被一点点地吞噬。
“年轻人先别走,你名字叫,叫……”
“詹姆斯,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。上周跟你说过的……”
1867年,法拉第去世,在著名的威斯敏斯特大教堂里有他的纪念碑,但他生前表示不愿葬在威斯敏斯特大教堂,而是入土于桑地马尼安教派的海格特墓园中,他的纪念碑旁边就是牛顿的墓。想当年,法国的大思想家伏尔泰碰巧参加了牛顿的葬礼,他发出感叹:“走进威斯敏斯特教堂,人们所瞻仰的不是君王们的陵寝,而是那些为国增光的伟大人物的纪念碑,这便是英国人民对于才能的尊敬。”对啊!这就是英国,率先走进了工业时代的英国。
历史总是充满巧合,伽利略1642年去世,牛顿1643年出生,当年伽利略一次又一次地重复着斜面滑落实验,不多久就迎来了满脑子数学的牛顿。这两位科学巨匠一个靠实验观察自然,一个总结成了数学规律,可以说是一对素未谋面的好搭档。同样,法拉第与麦克斯韦也是类似的关系,好歹两人还常见面。法拉第做实验,总结经验,麦克斯韦则是把这些奇思妙想总结成美妙的数学公式,这些数学公式又揭示着天地间的真正奥妙所在。
麦克斯韦意识到,要想让电磁学像牛顿经典力学一样完善,那就必须把有关电和磁的所有现象总结成一整套完善的公式系统。现在看来,想完成这个任务,就必须按照法拉第的思想走下去。法拉第只用很少的几个观点就能解释错综复杂的电磁学现象,这正是麦克斯韦需要的。1861年,麦克斯韦写了一篇论文叫做《论物理力线》,在其中提出了分子涡流理论,用这个理论可以推导出电磁感应定律。1862年,论文再版的时候,麦克斯韦作了补充,增补进去的第一部分描述了“静电场”和“位移电流”,第二部分则探讨了偏振光的偏振方向在外磁场中变化的问题。电磁理论迈出了重要一步,麦克斯韦已经超越了法拉第。
就在这篇论文之中,麦克斯韦描述了一种“电磁波”。变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场再产生变化电场,交替往复,电生磁、磁生电,就像一股横波一样,在以太中传递下去,以太就是电磁波的介质。麦克斯韦计算了这种波的传播速度,令人吃惊的是,电磁波速与光速一模一样。麦克斯韦铁口直断:光也是一种电磁波。他写道:“我们难以回避这一推断,光与同种介质中引起电磁现象的横波具有一致性。”
1864年,麦克斯韦发表了《电磁场的动力学理论》。他写道:“这些结果的一致性似乎表明,光与磁是同一物质的两种属性,而光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动。”至此,一座宏伟的电磁学大厦即将建成,法拉第打先锋,麦克斯韦为主将,“场”的理念终于在物理学中有了自己牢不可破的稳固地位,人类对于物体间相互作用的认识发生了飞跃。
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