物理学史1

8、麦克斯韦

19世纪伟大的英国物理学家。1831年6月13日生

于爱丁堡。幼时随父乡居,在父亲的引导下学习科学,

不满10岁就随父到爱丁堡皇家科学院听演讲。16

岁时入爱丁堡大学,3年后转入剑桥大学研习数学；

1854年以优异成绩在该校三一学院数学系毕业后，

留校任职两年。1856年到苏格兰阿伯丁的马里沙耳

学院任自然哲学教授，两年后和院长的女儿K.M.

杜瓦结婚。1860年向其母校爱丁堡大学申请自然哲

学教授职位未成，同年秋季去伦敦任国王学院的自

然哲学及天文学教授，并和M.法拉第时有往还，在

学术上取得了杰出的成就。1865年辞去教职回乡，

专心治学和著述。1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪许实验物理学教授，负责筹建该校的第一所物理学实验室——卡文迪许实验室，1874年建成后担任第一任主任，1879年11月5日在剑桥逝世。

麦克斯韦自幼聪颖，15岁时就发表过数学论文，一生从事过很多方面的物理学研究工作，而在经典电磁学方面的贡献尤为突出。18世纪以来的电磁学，早已用了电力、磁力和势的概念，但当时的人们都是从超距作用的观点来看问题的，他们认为这些力和这些势，正如力学中的势那样，只不过是某种数学的表象。这种传统的概念直到法拉第时期才开始被冲破。法拉第通过长期而专注的科学研究，逐步把注意力从带电体和磁体转到电力和磁力。为了描述这些力，他引用了力线（力管）的概念。这就是电磁场概念的雏形。这种方法引导他得出了很多科学发现，特别是电磁感应现象的发现。

麦克斯韦不但接受并系统地表述了法拉第的基本思想和实验规律，而且对它们实行了创造性的诠释、推广和补充。他从场的观点对法拉第电磁感应规律实行了理性的诠释，并且为了保证理论的自洽性而引入了位移电流的概念。在此基础上，他终于建立了电磁波理论。麦克斯韦约于1855年开始研究电磁学。他在那年的12月10日和次年的2月11日,分两个部分发表了题为《论法拉第的力线》的论文，文中给出了电流和磁场之间的微分关系式。这是他利用数学工具来表述力线概念的最初尝试。1861～1862年麦克斯韦发表了《论物理的力线》一文。他在这篇论文中构想了电磁作用的力学模型，并由此引入了位移电流的概念，对法拉第电磁学作出了实质性的增补。1864年12月8日,麦克斯韦在英国皇家学会的集会上宣读了题为《电磁场的动力学理论》的重要论文，在这篇论文中，他为他的力学模型，找到了明确的电磁学依据，对前人和他自己的工作实行了概括，位移电流作为和电荷守恒定律相容的一个前提。在此基础上提出了联系着电荷、电流和电场、磁场的基本微分方程组。这个方程组经过后人的整理和改写，就成了作为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。电磁场的波动方程，是麦克斯韦方程组的数学推论。正是通过这样的理论途径，麦克斯韦预见了电磁波的存有，而这种理论预见后来得到了充分的实验证实。按照麦克斯韦的理论，电磁波在真空中的传播速度，是仅仅通过电磁学的测量就能确定下来的一个恒量。测量的结果表明这个恒量和真空中的光速十分接近。在这种量值符合性的启发下，麦克斯韦提出了光的电磁理论，即认为光是频率介于某一范围之内的电磁波。这是光的波动学说的一种新形式，它避免了旧的光学理论中的一些带根本性的困难，而且在很大范围内得到了实验的证实。所以，即使新理论也还有它自己的困难，但是

这种理论的提出却被认为是人类在理解光的本性方面的一大进步。正是在这样的意义上，人们才说麦克斯韦把光学和电磁学“统一”起来了。这个发展被认为是在19世纪科学史上最伟大的综合之一。麦克斯韦在电磁学实验方面也有重要贡献。他在卡文迪许实验验证静电力平方反比定律的基础上建立实验验证的严格理论，并重复H.卡文迪许的实验，把实验验证的精度提升了3个数量级。他的验证理论成为后世精确验证静电力平方反比定律的依据。此外他还发明了麦克斯韦电桥。麦克斯韦于1873年出版了两卷本的《电磁理论》。这部科学名著，内容丰富,形式完善,体现出理论和实验的一致性；在这些方面都被认为是能够和I.牛顿的《自然哲学的数学原理》先后相辉映。麦克斯韦在这部著作中详细而严谨地阐发了自己的理论，确认了作为物质的一种特定形式——电磁场的存有，有力地批驳了长期占统治地位的超距作用观点，揭示了电磁现象和光现象之间的统一性；他的理论形成了经典物理学的重要支柱之一。同时在实践方面,法拉第-麦克斯韦电磁学更是为人类打开了变革自然、利用自然的空前广阔、空前美好的前景，创造了现代工业和现代文化的必要前提。

麦克斯韦在分子运动论方面的功绩也是不可磨灭的。1859年9月1日他在大英科学促动协会在阿伯丁召开的会议上,宣读了题为《气体分子运动论的例证》的论文,首次利用统计方法（几率观点）得出了气体分子的速度分布定律，这个定律后来被称为麦克斯韦速度分布律。他根据这个定律推算了气体分子的平均自由程，而且也利用分子运动论观点对玻意耳－马略特定律以及气体的粘滞现象和扩散现象实行了初步的诠释。1872年，他的著作《热学理论》出版了;在该书的结尾部分,他在“热力学第二定律的界限”这个标题下提出了“麦克斯韦妖”的著名佯谬；100多年以来,人们在物理学、化学、生物学和控制论的讨论中时常提到这个问题。除了在上述两个基本的物理学领域中作出了伟大的贡献外，麦克斯韦还研究过土星的光环和视觉理论，创立了定量色度学。他从1849年起就和J.D.福布斯一起实行了定量的混色实验，并一起发明了混色陀螺。他后来改进了这种陀螺，并且指出了关于视觉的三原色理论。

麦克斯韦兴趣广泛，才智过人，他不但是使用数学工具来分析物理问题的大师，而且是建立各种模型来类比不同物理现象的能手。除了上述各项工作以外，他在热力学、几何光学、弹性力学、光弹性学以及伺服机构理论等方面也实行了一些研究。此外，他负责建立起来的卡文迪许实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为名闻全世界的学术中心之一。

10、赫兹

赫兹，德国物理学家。1857年2月22日生于汉堡。

父亲为律师，后任参议员，家庭富有。赫兹在少年

时期就表现出对实验的兴趣，12岁时便有了木工工

具和工作台，以后又有了车床，常常用以制作简单

的实验仪器。

1876年赫兹进入德累斯顿工学院学习工程，因

为对自然科学的爱好，转入慕尼黑大学学习数学和

物理，第二年又转入柏林大学，在H．von亥姆霍

兹指导下学习并实行研究工作。在随赫尔姆霍兹学

习物理时，受赫尔姆霍兹的鼓励研究麦克斯韦电磁

理论。赫兹决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的准确。依照麦克斯韦理论，电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理，设计了一套电磁波发生器，赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时，其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后，电荷便经由电火花隙在锌板间振荡，频率高达数百万周。由麦克斯韦理论，此火花应产生电磁波，于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形，线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压，而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内，检波器距振荡器10米远，结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板，入射波与反射波重迭应产生驻波，他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率，又以检波器量得驻波的波长，二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。1887年11月5日，赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中，总结了这个重要发现。1888年，赫兹的实验成功了，麦克斯韦理论也所以获得了无上的光彩。在发现电磁波不到6年，意大利的马可尼、俄国的波波夫分别实现厂无线电传播，并很快投人实际使用。其他利用电磁波的技术，也像雨后春笋般相继问世。无线电报（1894年）、无线电广播（1906年）、无线电导航（1911年）、无线电话（1916年）、短波通讯（1921年）、无线电传真（1923年）、电视（1929年）、微波通讯（1933年）、雷达（1935年），以及遥控、遥感、卫星通讯、射电天文学……它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。

1880年他以纯理论性工作的《旋转导体电磁感应》论文获得博士学位，成为亥姆霍兹的助手。1883年到基尔大学任教。1885～1889年任卡尔斯鲁厄大学物理学教授。赫兹还通过实验确认了电磁波是横波，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并且实验了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时，电磁波的传播速度与光速相同，从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的准确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。此外，赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光对火花放电的影响，发现了光电效应，即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这个发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。1889～1894年接替R．克劳修斯的席位任波恩大学物理学教授。1894年1月1日因血液中毒在波恩逝世，年仅36岁。为了纪念他在电磁波发现中的卓越贡献，后人将频率的单位命名为赫兹。