詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

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詹姆斯·麦克斯韦
James Clerk Maxwell

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 1831-1879
出生 1831年6月13日(1831-06-13)
Flag of the United Kingdom.svg英國苏格兰爱丁堡
逝世 1879年11月5日 (48歲)
Flag of the United Kingdom.svg英國英格兰剑桥
居住地 Flag of the United Kingdom.svg英国
国籍 Flag of the United Kingdom.svg英国
研究領域 物理學數學
任职於 马里查尔学院英语Marischal College,英国
倫敦英皇學院,英国
英国皇家学会,英国
剑桥大学,英国
母校 爱丁堡大学,英国
剑桥三一学院,英国
博士導師 威廉姆·霍普金斯英语William Hopkins
其他著名學生 喬治·克里斯托英语George Chrystal
著名成就 麦克斯韦方程组
麦克斯韦分布
麦克斯韦妖
麦克斯韦关系
位移电流
經典電動力學
麦克斯韦速度分布律
麦克斯韦胁强张量
獲獎 史密斯奖(1854)
亚当斯奖英语Adams Prize(1857)
拉姆福德奖英语Rumford Medal(1860)基思奖英语Keith Medal(1869–71)
签名

詹姆斯·馬克士威英语James Clerk Maxwell,1831年6月13日-1879年11月5日),蘇格蘭[1][2]理论物理学家[3]和数学家。经典电动力学的创始人,统计物理学的奠基人之一。麦克斯韦最伟大的成就是用一組方程式数学公理化的方法把经典电磁学理论形式化、系统化,把前人互补相关的观测、实验、和电学磁学光学的方程,融合成一个自洽的理论,即麦克斯韦方程组。麦克斯韦在电磁学上取得的的成就被誉为继艾萨克·牛顿之后,“物理学的第二次大统一”[4]

麦克斯韦在1864年發表的論文《電磁場的動力學理論》中,他提出電場磁場都以的形式在空間中移動,移動速度為光速。麦克斯韦提出在電學和磁學的許多現象,其本質其實都是光[5]。光學和電磁統一的理論也預測無線電的存在。

麦克斯韦也建立了麦克斯韦-玻尔兹曼分布,是用統計的方式描述分子运动论。麦克斯韦也在1861年發明了可以持久的彩色攝影英语Color photography,他也奠定了杆-关节框架(椼架英语truss)的結構剛性英语Structural rigidity分析的基礎。

麦克斯韦被普遍认为是对二十世纪最有影响力的十九世纪物理学家。[6][7]

生平[编辑]

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1831年6月13日出生在英国爱丁堡的一个基督教家庭。他的父亲约翰·克拉克·麦克斯韦来自佩尼库克的克拉克家族,其祖上曾两度与米德尔比的麦克斯韦家族女继承人通婚,而得以继承后一个家族的遗产。约翰·克拉克在大学里学习的是法律,后来过上了优裕的生活,可他的真正兴趣却在科学技术方面。他是爱丁堡皇家学会会员,曾经发表过一篇关于自动送纸印刷机的论文。母亲弗朗西丝·凯来自爱丁堡的诺森布赖恩家族,生他时已将近40岁。除了一个夭折的姐姐伊丽莎白,詹姆斯是两夫妇唯一的孩子。[8]:1-2

出生后不久,麦克斯韦一家就搬到了格伦莱尔庄园,这所庄园位于苏格兰西北部的加洛韦地区。麦克斯韦喜欢探索,常常摆弄各种日常物品,比如有一次向人展示如何用金属盘反射阳光。稍大一点就帮父亲打理庄园,也常常去户外观察各种动物。后来母亲教他阅读,他对历史、地理,特别是文学产生了兴趣。他很早就接触了弥尔顿莎士比亚的作品,并在那些诗篇上显示出惊人的记忆力。[9]:2然而,1839年麦克斯韦的母亲因为腹腔癌去世。约翰·克拉克请了一位16岁的年轻家庭教师负责他的教育,然而麦克斯韦无法忍受老师逼他背诵,受了不少体罚,最后冲突终于不可收拾。1841年11月,小麦克斯韦的姨妈简来访后,终于说服约翰将家庭教师解雇,并将麦克斯韦送到当时苏格兰最好的学校之一爱丁堡公学念书。[10]:19-21


麦克斯韦 1850~1854年进入剑桥三一学院攻读数学1856~1860年担任阿伯丁郡马里查尔学院教授。1860~1865年在倫敦英皇學院执教,并从事气体运动理论的研究。1860年成为英国皇家学会院士。1871年任剑桥大学教授,创建并领导了英国第一个专门的物理实验室卡文迪许实验室

贡献[编辑]

電磁學[编辑]

麦克斯韦給彼得·格斯里·泰特英语Peter Tait (physicist)的明信片

麦克斯韦早在1855年時向剑桥哲学会英语Cambridge Philosophical Society提出《論法拉第力線》就開始研究電學和磁學[11]。此篇論文提出有關法拉第貢獻的簡單模型,以及兩個現象之間的關係。他將當時的知識簡化成一組由二十個方程式及未知數組成的微分方程式。後來在1861年的3月以此發表論文《論物理力線[12]

在1862年在伦敦国王学院教書時,麦克斯韦計算發現電場傳播的速度近似於光速,他認為這不只是一個巧合而已,他的評論是「我們可能無法避免得到光是介質中的横向起伏,同時也是造成電和磁的原因」[13]

在繼續研究之後,麦克斯韦證明了電磁波方程式可以預測電磁波的存在,電磁輻射以光速的速度通過空間?。光速可以用當時可得的資料及簡單電學實驗預測,當時得到的數值為310,740,000米每秒(1.0195×109英尺每秒)[14]。在1864年的論文《電磁場的動力學理論》中,麦克斯韦寫到「這些殊途一致的結果,似乎意味著光波與電磁波都是同樣物質的屬性,光波是按照著電磁定律傳播於電磁場的電磁擾動。」[5]

偏微分方程形式的麦克斯韦方程式最早是在麦克斯韦1873年的教科書《电和磁的论文英语A Treatise on Electricity and Magnetism》中出現[15]。麦克斯韦用四元數的幾何來表示電磁學,其理論的中心是電磁勢[16]。1881年時奧利弗·黑維塞將麦克斯韦方程式中的電磁勢改為力場,且將麦克斯韦方程式簡化為四個微分方程式,也就是現在的麦克斯韦方程式。依照黑維塞的說法,電磁勢沒有唯一性,需要被處理掉[17]。純量勢及向量勢是現在麦克斯韦方程的標準解答[18]

評價[编辑]

麦克斯韦的主要贡献是建立了麦克斯韦方程组,创立了经典电动力学,并且预言了电磁波的存在,提出了光的电磁说。麦克斯韦是电磁学理论的集大成者。他出生于电磁学理论奠基人法拉第提出电磁感应定理的1831年,后来又与法拉第结成忘年之交,共同构筑了电磁学理论的科学体系。物理学历史上认为牛顿的经典力学打开了机械时代的大门,而麦克斯韦电磁学理论则为电气时代奠定了基石。1931年,爱因斯坦在麦克斯韦百年诞辰的纪念会上,评价其建树「是牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。」[19]

参看[编辑]

参考文獻[编辑]

  1. ^ Early day motion 2048. UK Parliament. [22 April 2013]. 
  2. ^ James Clerk Maxwell. The Science Museum, London. [22 April 2013]. 
  3. ^ Topology and Scottish mathematical physics. University of St Andrews. [9 September 2013]. 
  4. ^ Nahin, P.J. Maxwell's grand unification. Spectrum, IEEE. 1992, 29 (3): 45. doi:10.1109/6.123329. 
  5. ^ 5.0 5.1 Maxwell, James Clerk. A dynamical theory of the electromagnetic field (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 1865, 155: 459–512. Bibcode:1865RSPT..155..459C. doi:10.1098/rstl.1865.0008.  (This article accompanied an 8 December 1864 presentation by Maxwell to the Royal Society.)
  6. ^ Encyclopædia Britannica: Science & Technology : James Clerk Maxwell. [2010-01-24]. 
  7. ^ Einstein the greatest. BBC News. 1999-11-29 [2012-07-28]. 
  8. ^ (英)埃弗里特(Everitt,C.W.F.)著;瞿国凯译. 麦克斯韦. 上海市:上海翻译出版公司, 1987.
  9. ^ (美)马洪著. 麦克斯韦 改变一切的人. 长沙市:湖南科学技术出版社, 2011.07.
  10. ^ Campbell, Lewis; Garnett, William. The Life of James Clerk Maxwell (PDF). Edinburgh: MacMillan. 1882. OCLC 2472869. 
  11. ^ Maxwell, James Clerk. On Faraday’s Lines of Force. Transactions of the Cambridge Philosophical Society. blazelabs.com. 1855 [27 March 2013]. 
  12. ^ 1861: James Clerk Maxwell's greatest year. King's College London. 18 April 2011 [28 March 2013]. 
  13. ^ O'Connor, J. J.; Robertson, E. F. James Clerk Maxwell. School of Mathematical and Computational Sciences University of St Andrews. November 1997 [25 March 2013]. 
  14. ^ ECEN3410 Electromagnetic Waves. University of Colorado. [30 June 2013]. 
  15. ^ Year 13 – 1873: A Treatise on Electricity and Magnetism by James Clerk Maxwell. MIT Libraries. [30 June 2013]. 
  16. ^ Extraordinary Physics. The Tom Bearden Website. [30 April 2013]. 
  17. ^ Hunt, B. J.. The Maxwellians (Ph.D.). The Johns Hopkins University. 1984: pp. 116–117. 
  18. ^ Eyges 1972,第section 11.6.页
  19. ^ Einstein,Albert. Maxwell's Influence on the Development of the Conception of Physical Reality. 1931年 [2010-01-24]. 

外部連結[编辑]