如果只能選擇一個的話,那就是:
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 (GC)
他的偉大可以從五個方面來看。
純理論結果
麥克斯韋方程組統一了電、磁和光!
(我要強調的是,麥克斯韋方程組統一的不是電和磁,而是電、磁和光,光學的本質是電磁!)
從上到下:高斯定理、磁通連續性原理、電磁感應定律、總電流定律
這是人類征服四種基本相互作用——征服電磁相互作用的首次勝利!
它也是世界上第一個規范場論——是的,早在外爾創立規范場論的幾十年前,麥克斯韋就已經建立了世界上第一個規范場論!
有人說麥克斯韋只是總結了前人的成果,那些公式都是用別人的名字命名的。
這種說法純粹是無知的表現,滿電流定律又稱為麥克斯韋第一方程,電磁感應定律又稱為麥克斯韋第二方程。
對于那些沒有聽說過這句話的人,我只能用四個字來形容他們:無知。
也有人說麥克斯韋僅僅增加了位移電流,他的貢獻并不大。
這種說法純粹是狹隘的世界觀的體現最早的物理學家,麥克斯韋還提出渦旋電場,電勢代表電磁場的能量,磁矢勢代表電磁場的動量,……
在麥克斯韋之前,電磁學只能處理靜態電磁場;麥克斯韋之后,電磁學可以處理動態電磁場。
渦旋電場與位移電流對于整個電磁學的貢獻,可以說是由衰變到魔法,將一套散亂的公式變成了規范場論。
對于那些質疑麥克斯韋對電磁學的貢獻的人,我只能送給他們四個字:坐在井里看天空。
提醒一下,麥克斯韋不僅是電磁學之王,他也是統計力學的創始人之一,他憑借麥克斯韋速率分布定律在統計力學中占有一席之地。
而且,為了反駁熱力學第二定律造成的“熱寂說”,麥克斯韋還認識到自然界存在著一種抵消熵增的能量控制機制,但他無法清楚地解釋這種機制,于是便釋放出了“物理學四大怪獸”之一的麥克斯韋妖。
麥克斯韋妖:能把隨機熱運動的粒子按照一定的順序和規則分布到一定的相格中。
提醒一下,麥克斯韋妖不是騙局,它是耗散結構的原型。它是一種稱為“信息-熱機制”的新機制,這意味著它可以使用信息作為媒介來轉換能量。
(細胞是耗散結構的一個例子。)
此外,麥克斯韋還計算出土星環是由固體流體和大量彼此并不密集的物質構成,而不是質量分布不規則的固體環。
理論成果對后世的影響
如果理論物理學有靈丹妙藥的話,那一定是:
麥克斯韋方程組!
(麥克斯韋方程組出現的次數如此之多,因此其“萬能藥”的美譽是當之無愧的。)
狹義相對論應該把麥克斯韋方程組稱為“父親”,說白了,狹義相對論就是用來幫助麥克斯韋方程組處理伽利略變換的。
規范場論又稱麥克斯韋方程組為“父親”物理資源網,楊-米爾斯方程組就是在麥克斯韋方程組基礎上建立的。
麥克斯韋方程組屬于U(1)群,而楊-米爾斯方程組將其推廣到SU(2)、SU(3)、……群。
而且,麥克斯韋方程組不僅是萬能的,而且是常青樹。
古典物理學有三大支柱:經典力學、經典電動力學、熱力學和統計力學。
經典力學經過狹義相對論的修正,成為狹義相對論的近似理論;量子力學建立之后,熱力學和統計力學也成為量子統計學的近似理論。
即使是20世紀建立的量子力學,也經過了完善并與狹義相對論相結合。
(量子電動力學是非相對論量子力學的細化,而不是麥克斯韋方程的細化。)
麥克斯韋方程組保持不變。
以上只是麥克斯韋方程組后來產生的一些影響。
此外,麥克斯韋關于電勢代表電磁場能量、磁矢勢代表電磁場動量的觀點,也在量子力學中發揮了重要作用。(過去常寫哈密頓量)
當海維賽德和吉布斯用矢量分析表達麥克斯韋方程組時,他們把電勢和磁矢勢拋在了腦后,沒有意識到它們的價值。直到量子力學建立之后,物理學家們才重新發現了電勢和磁矢勢的意義。
(麥克斯韋去世幾十年后,他仍在教導物理學家如何做事。)
技術應用
這是很重要的因素,不提技術應用的話,很多物理學家都能排在麥克斯韋前面。
說到技術的應用,無疑是第一。
第二次工業革命和第三次技術革命都依賴于麥克斯韋方程。
(甚至電力系統也依賴麥克斯韋方程來分析波過程。)
Wi-Fi、云計算、物聯網、無人機、自動駕駛、雷達……無論你現在讀到什么頭條新聞,它們都是關于電磁波和麥克斯韋方程的。
甚至可以說,現代文明是建立在麥克斯韋方程之上的。
這并不是夸張,信息技術確實很大程度上依賴于麥克斯韋方程。
在經典力學建立之前,已經有各種機器、建筑物;在熱力學建立之前,已經有蒸汽機。
但在麥克斯韋方程組建立之前,根本就不存在無線電技術,甚至連收音機都沒有。
此外,麥克斯韋也是第一位研究速度調節器穩定性問題的物理學家。
1868年,麥克斯韋發表《論調節器》,表達了比例積分控制器的基本思想。
首次用微分方程描述速度調節器的運動狀態,推導了調節器的微分方程,并在平衡點附近進行了線性化,指出其穩定性取決于特征方程根是否具有負實部。
(工程專業的學生應該熟悉這些操作。)
在論文中,麥克斯韋還研究了用三階微分方程描述的特殊系統和用五階微分方程描述的特殊系統,并給出了系統的穩定性條件。
(高階系統的穩定性準則是勞斯準則,工科專業的學生都應該了解。)
麥克斯韋在自動控制領域也能占據一席之地。
實驗物理學
1871年,麥克斯韋創立了卡文迪什實驗室。
在那里,電子、中子、原子核的結構、DNA的雙螺旋結構等被發現。
卡文迪什實驗室對整個實驗物理學的發展有著極其重要的影響最早的物理學家,許多著名的科學家都曾在此工作,甚至被譽為“諾貝爾物理學獎得主的搖籃”。
卡文迪什實驗室
作為實驗室的首任主任,麥克斯韋在1871年的就職演說中對實驗室未來的教學方針和研究精神作了精辟的闡述,這是一次科學史上具有重大意義的演講。
他說:“這些實驗的教育價值往往與儀器的復雜程度成反比。學生從自制儀器中學到的東西會比從精心調校的儀器中學到的東西更多,即使它們經常出故障。學生更容易依賴精心調校的儀器,而不敢把它們拆成零件。”從那時起,使用自制儀器就成了卡文迪什實驗室的一個傳統。
麥克斯韋的主要領域是理論物理,但他清楚地知道實驗占主導地位的時代尚未結束。
他還批判了當時英國傳統的“粉筆式”物理學,呼吁加強實驗物理學的研究及其在大學教育中的作用,為后人樹立實驗科學精神。
此外,還有麥克斯韋擺來演示機械能守恒。
挑剔的寶石眼光
麥克斯韋曾把傅立葉的《熱的解析理論》稱為“偉大的數學史詩”。
事實也確實如此,傅里葉把物理問題表述為線性偏微分方程的邊值問題,使得分析力學超出了牛頓在《自然哲學的數學原理》中所定義的范圍。
亨利·卡文迪什(他不僅測量了萬有引力常數,還被稱為“化學界的牛頓”)去世后,他的手稿留在書柜里長達70年。
麥克斯韋發現并整理了他的實驗論文,并于1879年出版了《卡文迪什的電學研究》一書,人們才知道卡文迪什曾經做過許多電學實驗。
麥克斯韋說道:“這些論文證明卡文迪什預見了電學領域的幾乎所有重大事實,而這些事實后來通過庫侖和法國哲學家的著作在科學界聞名。”
約西亞·維拉德·吉布斯性格孤僻、深思熟慮,是現實社會中幾乎不存在的邊緣人物。
他用九年時間出版了三部熱力學經典著作,并寄給全世界147位物理學家和數學家,征求他們的意見。
幾乎沒有人能理解他的理論,也不知道吉布斯是誰。
然而麥克斯韋不僅閱讀了吉布斯的文章,而且對其深表贊賞,于是他打了個電話:
這個人對于“熱”的解釋,已經超越了所有德國科學家的研究。
眾人這才反應過來是怎么回事,又回頭從紙屑堆里找出那三篇文章,仔細的讀了起來。
麥克斯韋對吉布斯的立體圖構想也很受感動,親手制作了一個石膏模型寄給了吉布斯。
什么叫用智慧認珠呢?這就叫用智慧認珠。
星辰隕落
麥克斯韋在生前并沒有享受到他應得的榮譽,因為他的科學思想和科學方法的重要性直到20世紀的科學革命才得到充分體現,但他卻沒有在有生之年看到科學革命的發生。
1879年11月5日,麥克斯韋在劍橋病逝,享年48歲。