科学巨匠的功绩

科学巨匠的功绩

人类从对电磁现象的初步认识至今，已经有2400多年的历史了，但是直至300多年前，人们还把电和磁看做是两个截然不同的独立的物理现象。19世纪上半期，人们才开始认识到电与磁有着内在的联系，从而产生了电磁学，并萌发了无线电电子学的概念。在进入电子技术时代的今天，人们不会忘记法拉第、麦克斯韦和赫兹等科学巨匠的名字。

法拉第（Faraday M，1791—1867）是一位贫困的铁匠的儿子，自学成才的英国物理学家和化学家。他12岁上街卖报，13岁到一家图书装订店当学徒。22岁时法拉第有机会听了伦敦皇家学会会长戴维的一次化学讲座，事后他把听讲记录寄给报告人，得到戴维的称赞，不久便成为戴维在皇家学院实验室的一名助手。1813年10月，法拉第随同戴维先后到法国、意大利、德国和比利时访问和讲学，受到了一次很好的锻炼。他经过艰苦的努力，于1825年任英国皇家学院实验室主任，1824年被选为伦敦皇家学会会员，还是法国科学院院士。

1820年4月，丹麦哥本哈根大学物理教授奥斯特（Oersted H.Ch，1777—1851）发现：把小磁针放在通电导线附近，磁针会出现偏转现象。这说明通电导线周围存在着磁场。奥斯特的发现动摇了2000年来电与磁不相关的根深蒂固的旧概念。又过了l0多年，1831年10月，实验物理学家法拉第发现了电磁感应现象：当导线在磁场中切割磁力线运动时，或者把一根磁铁插入由导线绕成的线圈中时，导线或线圈中就有电流产生。奥斯特和法拉第的发现说明：动电生磁，动磁也能生电。实际上，美国物理学家约瑟夫·亨利（Henry J，1797—1878）比法拉第早一年就发现了电磁感应现象，但他没有及时公布自己的发现，为此他很懊悔。在发现了电磁感应现象和电磁感应定律以后，法拉第冲破当时绝大多数科学家认为的超距作用（即电磁作用力的传递不需要任何媒质，也不需要传递时间，像万有引力那样是超距、超时作用力）的框框，认为电荷与电荷之间，磁极与磁极之间，通电导线之间，以及通电导线与磁场之间都是通过电力线和磁力线产生相互作用的。1832年，他曾大胆地提出了“电力和磁力是以振动方式传播”的理论。法拉第似乎还隐约感到有电磁波的存在，可惜这一极为珍贵的见解当时并没有公布于世，直到他死后63年，人们在整理他的1832年手稿时才被发现。

麦克斯韦（Jaines Clerk Maxwell，183l—1879）生于苏格兰爱丁堡一个名门望族，他出生的当年恰好法拉第发现了电磁感应现象。他的父亲是一位律师，但对科学技术十分爱好，经常带小麦克斯韦到爱丁堡皇家学会去听科学讲座，使他从小就受到了良好的科学熏陶。14岁那年他在爱丁堡中学读书时就发表了卵形曲线的绘制和数学表述的论文，为此获得了爱丁堡皇家学会的金质奖章，表现出了非凡的数学天才。中学毕业后，他去伦敦剑桥大学学习。1854年毕业于剑桥大学三一学院。他在物理上的最大贡献要算是在法拉第等人的基础上，创造性地系统地提出了电磁场理论，并预言了电磁波的存在。

早在1842年，美国的亨利在进行电学实验时，发现二层楼上产生的电火花竟能使放在一楼的指针磁化。只可惜他没有继续研究下去，错过了机会。

1853年，英国当时最负盛名的物理学家之一——威廉·开尔文（即威廉·汤姆逊，Thomson W，1824—1907）发现：当莱顿蓄电瓶（莱顿瓶是马森布罗克在荷兰的莱顿城发明的储存电荷的蓄电瓶）通过一个串有线圈的回路放电时，放电电流的大小和方向做周期性的振荡变化。开尔文也触及到了电磁波的边缘，可惜他没有对这个现象作进一步探索。法拉第、亨利、开尔文的工作为麦克斯韦建立电磁场理论开辟了道路。

1854年，23岁的麦克斯韦刚从剑桥大学毕业，怀着对法拉第电磁学说的极大兴趣，开始着手用数学语言来描述法拉第的电场和磁场的力线概念。1855年，麦克斯韦关于电磁场理论的第一篇论文《论法拉第力线》发表。在这篇论文中，他首次对电磁场进行定量描述，为法拉第力线提供数学基础，并以此说明法拉第所发现的电磁感应现象。1860年秋，任伦敦皇家学院物理学和天文学教授的麦克斯韦，拜访了已70高龄的法拉第，当时麦克斯韦年仅29岁。这是两位巨人第一次相会，而且是一次十分有意义的会面。

“先生对我的这篇文章有何见教？”麦克斯韦向法拉第求教。“我并不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。”老人谦虚地回答，接着他说：“这是一篇出色的文章……但你不应该局限于借用数学来解释我的见解，而应该突破我的观点！”他们在一起谈论力线、场、电磁现象和定律。老人语重心长地启发麦克斯韦要突破已有观念，建树新观点。这次会见使麦克斯韦信心倍增，并决心在电磁领域努力开拓。

过后不久，法拉第给麦克斯韦写了一封信，信中写道：“当我看到给这个课题加上如此精深的数学时，起初把我吓了一跳，后来我却惊异地发现，这个数学加得很妙。”与法拉第的会见，使麦克斯韦翻然领悟：“对！我不应停留在对前辈所创立理论的解释上面，而应该大胆地突破和超越前辈的成就，去开创电磁学的新理论。”正是在法拉第的启发和鼓励下，麦克斯韦迎来了电磁波的伟大发现。

1862年，麦克斯韦发表了电磁场理论的第二篇重要论文——《论物理的力线》，提出了“电磁场的力学模型”，并经过严格的数学推导，创立了一组说明电磁规律的数学方程式。在这篇论文中，他指出一切变化的磁场总要产生电场，从其方程式推得变化的电场也能产生磁场。只要在空间存在着不断变化的电场和磁场，那么就周而复始地电场产生磁场、磁场产生电场，变化的电磁场就会由近及远地传播出去，这就形成了一种特殊的波。麦克斯韦把这种波称作电磁波。这正如投石于静水，激起水分子上下振动，再带动邻近水分子上下振动，从而产生向外传播的水波一样。同时在这篇论文中，麦克斯韦指出光也是一种电磁波。

1865年秋，麦克斯韦的第三篇重要论文《电磁场的动力学理论》发表了。在论文中，他从场的观点出发，推导出八个严格的电磁场方程组，并且还得出了电磁波的传播速度等于光速的重要结论。之后，麦克斯韦潜心研究电磁学，于1873年发表了他的巨著《电磁学通论》。这本巨著，观点新颖，数学严密，是人类探索电磁规律的完美总结。它凝聚着奥斯特、亨利、法拉第等科学前辈们的心血，闪耀着麦克斯韦的光辉才华。理论物理大师爱因斯坦（Einstein A，1879—1955）说：“法拉第和麦克斯韦的电磁场理论，是牛顿（Newton I，1642—1727）时代以来物理学最深刻的变革。”