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第四节 麦克斯韦超越时代的伟大与不幸

  卡文迪什实验室在筹建期间,剑桥人最关心的就是由谁来担任它的第一任教授。当时有许多热门人选,但最终宣布的人选却令很多人大失所望,因为新教授是当时还鲜为人知的麦克斯韦。

  麦克斯韦是电磁学的奠基人,而在他接受任命的时候,他那部跨时代的电磁学着作《电学与磁学论》还没有出版,人们对他缺乏了解。但事实证明,当年剑桥大学的选择是极其正确的,正是麦克斯韦用他的激情与智慧,为卡文迪什实验室的百年辉煌打下了坚实的基础。

  麦克斯韦出生在苏格兰古都爱丁堡。他的父亲是个热衷于建筑设计的工程师。有一次,他在桌上摆了一瓶花,教儿子写生。过了一会儿,小麦克斯韦把他的“作品”交了上来。父亲接过来一看,不由得吃了一惊,只见纸上画满了几何图形,大大小小的圆圈是花朵,长长短短的三角形是叶子,那个大大的梯型是花瓶。父亲断定儿子是个数学天才,就开始教他学习几何、代数。

  麦克斯韦的确是个天才。他还没满15岁,就写出了一篇数学论文,发表在《爱丁堡皇家学会学报》上。这篇论文讨论的是二次曲线的几何作图。据说这个问题当时只有大数学家笛卡儿研究过,而麦克斯韦的方法要比笛卡儿的方法还要简便。1846年4月,这篇论文将拿到苏格兰皇家学会上宣读。通常宣读论文的都是作者本人,但主办者考虑到麦克斯韦的年龄太小了,才由一位教授代为宣读。

  1847年秋天,麦克斯韦考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学,专门攻读数学和物理学。他是班上年纪最小的学生,座位在最前排,但考试成绩总是名列前茅,而且还能发现老师在讲课中出现的错误。有一次,一位讲师正在讲课,麦克斯韦忽然举起手来,说讲师讲的公式有错误。那个讲师很自信,反过来挖苦他说:“如果你是对了,那我就把它叫做麦氏公式!”事后,那位讲师做了验算,果然是自己讲错了。为了进一步深造,在征得了父亲的同意后,麦克斯韦于1850年离开了爱丁堡大学,转到了人才辈出的剑桥大学学习。

  麦克斯韦进入剑桥大学的第二年,就获得了奖学金。当时的大学生大多数都是自费,获得奖学金的总是那些最勤奋的学生。尽管麦克斯韦是个奇才,在学习方法上却有问题。他读书如饥似渴,却不讲究系统性,碰到什么就读什么,漫无边际,像一个性急的猎手。

  幸运的是,有个偶然的机会,麦克斯韦遇上了剑桥大学着名的数学家霍普金斯。有一天,霍普金斯到图书馆借书,他要的一本数学专着恰巧被人借去了。

  这本专着一般人是读不懂的,霍普金斯教授有些诧异,便向管理员询问借书人的名字,管理员就把麦克斯韦这个名字告诉了他。

  霍普金斯在图书馆里找到了麦克斯韦,看见他正在埋头做摘抄,笔记上涂得乱七八糟。霍普金斯半认真半开玩笑地对他说:“小伙子,如果没有秩序,你永远成不了优秀的数学物理学家!”从这以后,麦克斯韦成了霍普金斯的研究生。在霍普金斯的指导下,麦克斯韦不仅在运用数学方法解决物理问题方面突飞猛进,学习方法也有了很大改进。

  麦克斯韦以数学优等第二名的成绩毕业后,就留在剑桥大学工作。当时,很多理论物理学家都不承认法拉第的学说,这主要是因为法拉第的数学功夫不够,他的很多创见都是用直观形式表达出来的。麦克斯韦毕业后的第二年就发表了《论法拉第的力线》,这表明他接过了法拉第点燃的火炬,开始向电磁领域的纵深挺进。就在这时候,他接到一封家信。

  这是他年老体弱的父亲请别人代写的。麦克斯韦读过信后,得知父亲健康状况恶化,突然病倒在床,心里十分难过。

  为了能就近照顾父亲,麦克斯韦离开了剑桥大学,来到离家不远的马锐斯凯尔学院任教。麦克斯韦平时就养成了语速极快的说话习惯,说起话来好像机关枪扫射一般。他第一次登台讲课,还是改不了这个习惯,一节课的内容半节课就讲完了。他见学生们没有听懂,就再讲一遍,可是学生们的思维还是跟不上他的舌头。

  学生们的不满很快就被转达给了麦克斯韦,他决心改掉自己的毛病。于是,每天一大早,他就夹着讲义,独自来到校园的小花园里,对着一棵高大的刺玫瑰练习讲演。

  经过一段时间的努力,麦克斯韦的语速变慢了,再也没有学生反映听不懂他讲课了。

  转眼间四个年头过去了,马锐斯凯尔学院与其他学院合并了,麦克斯韦主持的讲座也被取消了。28岁的麦克斯韦离开阿伯丁,到伦敦国王学院任教。

  麦克斯韦来到伦敦后,特地前去拜访法拉第。这一年法拉第已是70岁高龄,麦克斯韦比他年轻40岁。他同麦克斯韦一见如故,亲切地交谈起来。当谈到麦克斯韦写的那篇论文时,法拉第高兴地说:“当我知道你把数学用到了这里来,我几乎吓坏了。但我惊讶地看到,你处理得很好啊!”

  “先生能给我指出论文的缺点吗?”麦克斯韦腼腆地说。

  “这是一篇出色的文章,”法拉第想了想又说,“可是你不应当停留在用数学来解释我的观点,而应该突破它。”

  法拉第的话像一盏明灯,照亮了麦克斯韦去攀登经典电磁理论的顶峰。1862年,麦克斯韦发表了他的第二篇电磁学论文《论物理学的力线》。

  在这篇论文中,麦克斯韦引进了“位移电流”的概念。根据这个科学假设,麦克斯韦推导出了两个高度抽象的微分方程式,这就是着名的麦克斯韦方程式。这组方程式从两方面发展了法拉第的成就:一是不但变化着的磁场能产生电场,变化着的电场也能产生磁场;二是完满地解释了电磁感应现象,凡是有磁场变化的地方,它的周围不管是导体还是电介质,都有感应电场存在。经过麦克斯韦创造性的总结,电磁现象的规律终于被他用不可动摇的数学形式揭示了出来。电磁学到这时才开始成为一种科学的理论。

  1865年,麦克斯韦发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》。在这篇论文中,他大胆地断定,光也是一种电磁波。法拉第关于光的电磁理论的朦胧猜想,由麦克斯韦变成了科学的理论。

  1873年,麦克斯韦的电磁理论的经典着作《电磁学通论》问世。电磁理论的宏伟大厦,经过几代人的努力,终于巍然矗立起来了。麦克斯韦的朋友、同行和学生对这部着作期待已久,将它的第一版一抢而空,但真正能读懂的人却寥寥无几。

  麦克斯韦晚年的生活充满了烦恼,妻子久病不愈牵扯了他的大量精力,他的学说无人理解,更让他感到心焦,但他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。麦克斯韦每学期都要主讲一门课,内容是电磁学或者热力学。他本来就不善于讲演,再加上电磁理论深奥难懂,他的听众越来越少。到了1879年春天,他的讲座只剩下两个听众。一个是美国来的研究生,另一个就是后来发明了电子管的物理学家弗莱明。

  面对着空荡荡的教室,麦克斯韦侧过身来向那两名学生问道:“你们为什么不走呢?”弗莱明恭敬地站起来,回答道:“先生的理论我能听懂,太完美了!”麦克斯韦笑了笑,翻开讲义,像往常一样一丝不苟地开始讲课……1879年11月5日,麦克斯韦患癌症去世,终年49岁。这位科学巨匠活着的时候并没有得到应有的重视,更没有获得应有的荣誉,直到他死后许多年,赫兹证明了电磁波存在,人们才公认他为“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。

  科学家逸闻

  麦克斯韦的默默贡献

  卡文迪什去世后,他的侄子齐治把卡文迪什遗留下的20捆实验笔记完好地放进了书橱里,谁知这一放就是70年。直到1871年,麦克斯韦才见到了这些凝结了一代科学大师毕生智慧和心血的笔记。麦克斯韦仔细阅读了这些手稿后,不禁大惊失色,连声感叹道:“卡文迪什也许是有史以来最伟大的实验物理学家,他几乎预料到电学上的所有伟大事实。”

  于是,麦克斯韦决定暂且中止自己的一些研究课题,全心全意地整理这些手稿。卡文迪什的伟大思想因此得以流传下来,也成就了科学史上的一段佳话。

  科学家逸闻

  麦克斯韦的爱好

  麦克斯韦从中学时代起喜欢玩陀螺。这种陀螺与中国儿童玩的那种陀螺很相似,玩的时候要用绳子不断地抽打,陀螺就会不停地在地上旋转。麦克斯韦一生都爱玩陀螺,还教他的许多朋友玩过。他的另一个爱好是玩一种叫活动画筒的玩具。从麦克斯韦的爱好看,他似乎有些孩子气。其实,麦克斯韦玩玩具并不单纯是为了娱乐,而是为了探索科学道理。这两种玩具的原理,后来都被他应用到科学上去了。

  
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