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  • 麦克斯韦明明统一了电磁学,为什么看起来却低了牛顿、爱因斯坦一档

    栏目: 知识 日期:2023-01-26 19:00:56 浏览量(来源:小潘

    [摘要]麦克斯韦明明统一了电磁学,为什么看起来却低了牛顿、爱因斯坦一档?说麦克斯韦要比牛顿、爱因斯坦低一档的实际上只是一种十分粗浅的认识。这里不想拿牛顿、爱因斯坦跟麦克...

    麦克斯韦明明统一了电磁学,为什么看起来却低了牛顿、爱因斯坦一档?

    说麦克斯韦要比牛顿、爱因斯坦低一档的实际上只是一种十分粗浅的认识。

    这里不想拿牛顿、爱因斯坦跟麦克斯韦或者杨振宁去排名排序,只是就麦克斯韦的贡献作个简单地评价。

    麦克斯韦是公认的继牛顿之后的最伟大的物理学家,他建立的电磁理论,是支撑我们人类现代科技文明的两大支柱性理论之一(另一个是量子理论)。注意,这里没有相对论,相对论的伟大在于认识这个世界,目前人类科技水平还无法去应用相对论。

    一、有人会说麦克斯韦方程组中除了位移电流,其他的都不是他的发现。

    事实上,牛顿三大定律都不是牛顿发现的。

    每个人都是在前人的基础上推进,完成超越。麦克斯韦在奥斯特、法拉第等人的基础上,建立了完整的电磁理论,为电磁学的发展和应用奠定了基础,时至今日,任何有关电和磁的知识都可以通过麦克斯韦方程组推导和证明,足见这个理论的伟大。

    二、麦克斯韦电磁理论第一次揭示了电、磁的性质和关系,并预言了电磁波的存在,为电磁波的应用奠定了基础。

    三、麦克斯韦电磁理论第一次预言光是一种电磁波,并推导出了光速只取决于两个常数,即真空介电常数和真空磁导率,说明了光速是不变的。爱因斯坦正是根据这一结论提出了光速不变性,即光速与参照物无关。

    四、现在公认物质的存在形式只有两种,一种是实体,另一种就是场。而关于场的认识起源于法拉第,在麦克斯韦电磁理论中得到确立。

    五、可以说除了牛顿力学,也没有其他理论有麦克斯韦电磁理论如此多的应用范围。任何人类发明的电的、磁的产品都离不开麦克斯韦方程组。

    六、除了电磁理论,麦克斯韦在热力学、统计力学和天文学方面也作出重大发现,可以说都是诺奖级别的,不过那会还没有诺奖。

    有人说麦克斯韦没有方法论,没有数学。事实上,麦克斯韦的《电磁通论》里面的研究电学磁学的数学方法和研究的方式都是经典的方法。很多相关学科的硕士生、博士生都有必要去自己推导一遍麦克斯韦方程组,推导过程本身就有一些方法论的东西,远比一些文字描述要深刻。

    可以说,电磁理论是除牛顿力学之外人类认识最深,使用最广,用处最大的理论体系。

    麦克斯韦明明统一了电磁学,为什么看起来却低了牛顿、爱因斯坦一档?

    客观地说,仅仅从成就来看,牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦三人应该是并驾齐驱的,是理论物理学史上毫无争议的第一梯队的存在,而且第一梯队有且只有这三位而已。可我们会发现,在很多人眼里麦克斯韦的地位似乎远不如牛顿、爱因斯坦,甚至都不如伽利略。不仅如此,很多人对牛顿、爱因斯坦的生平了解的很多,但很少人了解麦克斯韦的生平。

    那问题就来了,为什么我们说单从成就上看,麦克斯韦并不亚于牛顿和爱因斯坦?又为什么,麦克斯韦并不如牛顿、爱因斯坦为人所知?

    理论物理学家的梦想

    我们来先来解决第一个问题。其实,从古至今,理论物理学家都有一个梦想,这个梦想就是提出大一统理论。那为什么是大一统理论呢?说白了就是用一套理论解释所有的物理学现象。这个梦想不仅牛顿有,爱因斯坦也有,而且两人晚年都为此付出了许多的努力,但都没有任何结果。

    不过,从这个方面,我们也能了解到,就像古代帝王喜欢统一,理论物理学家也喜欢统一。而凡是能仅凭一人之力或者说单打独斗,就完成部分统一的理论物理学家都可以跻身到理论物理学史上第一梯队的行列当中。而在这个梯队中,有且仅有三位实现了部分的统一:

    牛顿提出了牛顿力学,万有引力定律,统一了“天上”和“地上”的物理学;(在此之前,亚里士多德世界观中,天上和地上遵循两套完全不同的规律。)

    麦克斯韦提出了麦克斯韦方程,统一了“电”和“磁”,并且预言了电磁波的存在,同时光就是一种电磁波。(后来,他的理论被赫兹所证明。)

    爱因斯坦提出了相对论,在狭义相对论部分,他统一了“时间”和“空间”,“能量”和质量。在广义相对论部分,他给出了引力本质的诠释。

    而诸如量子力学和近现代的粒子物理标准模型,实际上都是一群人一起努力的结果。量子力学前前后后经历了多代物理学家,比如:第一代的普朗克、爱因斯坦;第二代的波尔、索末菲、波恩;第三代的海森堡、薛定谔、狄拉克等。

    至于粒子物理学标准模型也是这样,有杨振宁、温伯格、希格斯、费曼、盖尔曼等等几十位甚至是上百的科学家共同努力得以完善。

    因此,这才使得牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦拥有如此崇高的历史地位。

    麦克斯韦为什么不为人所知?

    实际上,如果经常到学校里转转,我们确实能够看到麦克斯韦的画像。但即使是这样,麦克斯韦的名声还远不及牛顿、爱因斯坦。各种原因,我觉得和学生时代的知识结构有关。我们了解牛顿,是因为我们初中、高中都会接触到物理学,而其中最核心的牛顿力学,也是学生们主要学的。

    虽然也会学一些电磁学理论,但如果仔细去看的话,我们会发现学的这些电磁学理论都是经过简化的。所谓的安倍定则,欧姆定律,楞次定律等等,就是没有接触到麦克斯韦方程。因此,你很难感受得到麦克斯韦方程如何统一了电磁学。

    实际上,初高中学的这些电磁学理论都是在某种假定条件下得到的,只是麦克斯韦方程理论的一部分而已。如果真的让学生们去学麦克斯韦方程,估计挂科率肯定是止不住了。也因此,我们上高中物理课时,根本不会接触到麦克斯韦这个人,也就无法知道他到底有多厉害。

    而相对论虽然很多人都不懂,但是相对论的名气要远远大于麦克斯韦方程。平时没事谈相对论和量子力学都会让人觉得你特别有学识,但你见过谁会没事跟你说,我们来聊一聊麦克斯韦方程?

    而且像相对论中的质能方程,以及量子力学中的薛定谔的猫其实都已经成为了时下的流行用法。因此,也使得这两个理论成为了大家耳熟能详的理论。(当然,其实大多数人都搞不懂这两个理论到底说了啥。)

    基于这两点,不熟悉和不够流行,才使得麦克斯韦远远不如牛顿、爱因斯坦受到普通人的关注多,也就会让人觉得他似乎学术地位远不如牛顿和爱因斯坦。但我们客观地说,他其实是可以和牛顿、爱因斯坦平起平坐的存在。

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