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1、第十五卷 9139 总 83 期 第 1 期 自然辩 证法 通讯 J NORUA L DIOAF L ECITCSONAFTUER V o l . 1 5 , S um 冲 83 滩 151993 人物评传 麦克斯韦 : 经典物理学的巨匠 , 现代物理学的先师 赵定涛 詹姆斯 克拉克 麦克斯韦(a J ms e ae rk M。 x well, 153一187 9) , 英国19世纪伟大的数 份 一 学物理学家 , 物理学史上的重要转折人物 。 他 是近代物理 学的巨匠 , 经典物理学大厦的主要 完成者之一 , 他也是以自己的劳作加速了牛顿 力学观念框架崩溃的人 , 是 现 代 物理学的先 师
2、 。 不了解他的工作 , 就无法理解现代物理学 何以能够产生 。 无论是作为一个科学家还是一个普通人 , 麦克斯韦都是一个很 有 趣味 的人 。 天真与挚 着 、 谦逊与自信 、 犀利与温和 、 怪诞与机敏 , 都在他身上得到体现 , 从他身上 , 我们既可以 看到近代自然哲学家的风范 , 又可以看到现代 科学家 的气质 。 他的著述以清晰和有条理著 称 , 但他的言谈和讲课却往往令听众如坠云雾 之中 , 很少有人能明其所云 , 他极力主张在进 行数理推演时 , 每一步都不能离开物理概念 , 但他建立的科学理论在他同时代人看来 , 如同 空中楼阁 , 被指责为 “ 数学游戏 ” ; 他是一个受
3、到正统学院教育的数理学家 , 却同完全不懂 抽象数学的法拉弟(M . Fa r a d a y)站在一起 , 反对数理学派流行的 “ 超 距 论 ” (a c it o n a t 。 dista ne e )观 点;(iJ , v o一 z , p . 451; 幻 , p . 66) 他生活在经验主义气氛极为浓厚的 1 9世纪的英国 , 但他却是那个时代头脑最清醒 、 理论思想能力最强的科学家之一 。 至于他的 童年 , 有人说他学绩平平 、 性情乖张 , 近乎痴呆 , 也有人说他思维超凡 、 夭才独具 。 另外 , 他一生没有发表任何专门的哲学论著 , 但人们却称他是认识论领域的巨匠 ,
4、 因为他的科学著 作和诗文中充满了哲学议论 。 本文就对这样一位科学家的生平 、 贡献 、 思想 、 方法及其对后世的影响作一简要评述 。 一般人认为法拉弟不懂数学 , 麦克斯韦则对此持不同看法 , 他认为法拉 弟是一个通晓几何的高明数学家 , 只是 不位计算数学而已 。 参见 s , V o l . 2 , P . 359 . 一0 7一 青少年时 代 18 13年 6 月13 日 , 麦克斯韦出生于英国爱丁堡的克拉克(Cle r k s ) 家族 。 祖辈中有政治 家 、 艺术家和学者 。 他的父亲约翰 克拉克 麦克斯韦(Jh o n c l e rkMa x wl e l ) 博学多才
5、, 兴趣广泛 , 律师出身但对科学技术和实用工业十分热心 , 是爱丁堡皇家学会会员 。 因此 , 麦 克斯韦从小就有机会随同父亲一道参加皇家学会的集会 , 受到 自然科学方面的熏陶 。 他的母 亲弗朗西斯 凯伊( Fa r c ne s C ay )也出自爱丁堡的一个名门望族 , 识文达理 , 性格坚毅 , 是 麦克斯韦幼年教育的启蒙者 , 不仅教他识字 , 而且培养他对各种事物的好奇心 。 可惜母亲早 逝 , 使少年麦克斯韦在感情上受到沉重打击 , 使之长期总有丧母之忧 。 , 麦克斯韦的摇篮生活和童年时光是在苏格兰西南部盖洛韦( G ol low a y)乡村的格仑奈尔宅 院(lG en
6、a li rH o u s e )度过的 。 这里有他父亲从麦克斯韦家族继承来的约1500英亩地产 , 后 来传给了麦克斯韦 。 同当地村民的孩子在一起戏耍 , 给他增添了许多童年的欢乐 , 也使他带 上了很重的盖洛韦地方口音 。 与牛顿和爱因斯坦一样 , 麦克斯韦早时在读书识字方面似乎并未显露出过人的才能 。 8 岁丧母之后 , 曾从一位家庭教师学习两年 , 结果收效甚微 。 这决不意味着他智力迟缓或贪玩 厌学 , 而是因为他固执的性格和奇异的行为方式遮掩了他的聪慧夭资 , 使之不易为常人所察 觉 。 例如他喜欢对一些事物和现象的原因追问到底 , 喜欢画一些奇怪的图画 , 玩一些奇怪的 玩具
7、;与人谈话充满讥刺的嘲讽等等 。 可是那位年轻的家庭教师不 了解这一点 , 因而经常与 他的学生就拉丁语语法的价值这类问题发生激烈冲突 , 以致于约翰 麦克斯韦不得不辞退了 他 。 1 84 1年 , 麦克斯韦进人爱丁堡中学读书 , 寄居在姑母家中 。 因是中途插班 , 且经常不好 好准备功课 , 所以在头几年里成绩平平 ; 他的孤僻性格和奇特举止 , 加上浓厚的乡下口音和 不合时宜的穿着 , 更使他经常受到同学们的取笑 , 于是很快获得了一个不中 听的绰号 “ 痴汉 ” (Da f ty) 。 可是几年以后 , 麦克斯韦各科成绩有了飞速进步 , 经常获得奖赏 , 尤其 是在数学 、 英文诗
8、、 拉丁文等方面成绩突出 , 一跃而成为令人注 目的人物 。 这由麦克斯韦在 爱丁堡中学的同学 , 后来成为好友的泰特( P . G . a T i t )的回忆为证 :“ 在学校里 , 他起初是 被人当作怕羞者 , 而且毋宁是呆子看待的 。 他不事交际 , 逢到偶有的假日 , 也只是读点古歌 谣 , 画点奇怪的图和做点粗的机械模型来消遣 。 可是 , 约莫到了他的学校生活的中途 , 他可使他的同伴们惊异了 , 他突然成为他们中间最有光彩的一个 , 得 了许多的奖赏 , 有时且 是学业成绩 、 数学和英文诗的最高奖 。 ” 在1 4岁时 , 他写出了第一篇科学论文 , 内容是讨 论一种绘制卵形
9、曲线(o v al Cu rv e s )的新方法 。 这篇论文后来经爱丁堡大学自然 哲学 教 授 福布斯(J . D . Fo rbe s )推荐 , 在爱丁堡皇家学会会议宣读并登载于该学会 会报 。 据福布斯 教授的评价 , 麦克斯韦的方法比早年笛卡尔(R . D e , c arte 。 )提出的方法简单而且更具有一 般性 。 1847年秋 , 麦克斯韦以优异成绩毕业于爱丁堡中学 , 同年n月进入爱丁堡大学学习 , 有 机会师从凯兰( K e a l ld n)学习数学 , 从福布斯学习物理学 , 从哈密顿(i S : w i l l i aoH ami l - ton )学习哲学 。
10、哈密顿爵士的精彩讲座曾对麦克斯韦产生深刻影响 , 培养了他对事物 本质 进行哲学沉思的偏好 , 但却是福布斯的物理学讲座吸引了他的主要注意力 , 使之最终成为一 个致力于物理学研究的人 。 福 布斯破例地允许他自由使用自己的精良仪器 , 从事各种实验活 一 68 一 动 。 在这期间 , 麦克斯韦又发表了另外两篇科 学论文 。 , 在爱丁堡大学的三年 , 是麦克斯韦全面学 习和汲取各种知识和文化营养的时期 : 既注意 学习 了各种理论 , 也培养了对实验技术的浓厚 兴趣 ; 既努力钻研数学 、 物理专业知识 , 也广 泛涉猎其他领域 , 包括文学 、 诗歌等人文科学 领域 。 精深的数理知识和
11、广博的文史哲知识的 结合 , 为麦克斯韦以后的科学创造打下了坚实 的基础 , 也造就了其强调严密 、 追求完美的学 术气质 。 他后来曾深有体 会地谈到 , 为了深入 理解 自然科学问题 , 有必要学习和研究哲学 、 科学史和美学 , 对年轻人的教育不能局限于某 一专业领域内 。 麦克斯韦曾被希望学习法律 , 以便子承父业 。 但他认为 , 世间最完备的法律 , 也无过于 自然界的定律 。 福布斯教授也力主麦克斯韦进剑桥大学学习自然科学 。 父亲经再 三 斟 酌 之 后 , 终于在185 0年秋送他进了剑桥 , 专攻数理科学 。 先在彼得馆(e P te r h o u s e ) , 数月后
12、接受 别人的建议转人三一学院 , 一年后获得三一学院奖学金 。 他渊博的知识 、 深刻的理解力和执 着的求知精神给他在剑桥的同学们留下了深刻的印象 , 也引起了著名科学家霍普金斯(W , o H Pi kn s ) 、 数学家斯托克斯(G . G . s t o k es ) 、 哲学家和科学史学象休厄尔(w . wh e w e l l)的 注意 。 巴特勒(H . M . Bu tl e r )是麦克斯韦在剑桥的同学之一 , 他这 样评价麦克斯韦 : “ 他 的地位在我们中间是独一无二的 。 他在大学毕业生中是一个被认为独具天才的人 。 ” (4 , P , 8 ) 霍普金斯也认为 , 麦
13、克斯韦毫无疑问是他毕生经历中遇到的最杰出的一个人 。 (4 , P . 10) 麦克斯韦在剑桥除了与该校奖学金获得者同桌吃饭 , 从而有机会与这些富有才智的同学 交往之外 , 还被吸收为智力层次更高的学术圈子 “ 使徒俱乐部 ” (AP 。 , l e t s Ci hb) 的成员 。 这一团体限由1 2名成员组成 , 在剑桥大学里被认为最有才能的人才可以参加 。 与麦克斯韦同 时代的成员有斯落芬(J . F . s te P五e n) 、 巴特勒和霍特(F . J . A . Ho r t) 等 , 后来参加 “ 使徒 俱乐部 ” 的还有塞治威克(H . sid gwi e k) 、 怀特海
14、(A . N . Whi tehe ad ) 、 罗素(B R uss e ll) 及凯恩斯(J . M . Ke y n e s )这样一些杰出的科学家和思想家 。 与各种不同类型的杰出青年交 往 , 无疑触麦克斯韦的成 长产生了深远的影响 。 在 “ 使徒俱乐部 ” 举办的学术活动中 , 麦克 斯韦先后宜读了十几篇论文 , 其内容涉及科学 、 哲学等各个方面 , 远远超出当时所学课程的 范围 。 从这些论文中 , 人们不仅可以发现麦克斯韦深沉 、 持 重和有条不紊的一面 , 也可以发 现其敏捷 、 幽默和怪论迭出的一面 。 在这里 , 没有人能再感受到他害羞和离群索居的习性 。 进人剑桥的
15、第二年 , 麦克斯韦即开始准备数学荣誉学位(M oth e ma ti c ol TirPo s )考试 。 他一面跟着导师霍普金斯进行有系统的知识训练和科学研究 , 一面听斯托克斯的数学讲座 。 1854年结束学业 , 在学位考试中以仅次于后来成 为优秀数学家的鲁茨( E . J . R o u t助的成绩 获得甲等及格者第二名 (s ee ond w ra n g le r ) , 并与鲁茨并4 I 获得史密斯奖 ( S mith 5 p rize ) 第一名 。 有一个事例可以说明当时此类考试的水平如何 。 在麦克斯韦参加的数学考试中 , 主 考人斯托克斯在题目中第一次公布了著名的有关线
16、面积分的斯托克斯定理 , 让考生们 自行证 一 69 一 明 。 毕业后 , 麦克斯韦被选为剑桥三一学院公费研究员 , 从事色视觉和电磁学方面的研究 , 还继续为 “ 使徒俱乐部 ” 撰写论文 , 并为工人业余学校讲授科普知识 。 1856年 , 为了照顾病 中的父亲 , 他决定离开剑桥 , 在离家较近的阿伯丁(Ab e rde e n )的马里斯采尔学院(Ma r i s - 比a l Co l l g ee ) 申请一个 自然哲学教授职位 。 可是在他到任之前 , 他的父亲就 逝世 了 。 他在 马里斯采尔学院工作了4年 , 18 58年与该学院院长的女儿凯瑟琳 玛丽 迪尤 尔(K o h te r抽 e M o y r e D wo )r 结婚 , 婚后未曾生育子女 。 除了工作之外 , 麦克斯韦的主要业余爱好是写诗 、 骑马 、 游泳和摆弄陀螺之类的玩具 。 二 、 创 立 电磁场 理论 麦克斯韦在剑桥毕业后不久 , 即在威廉 汤姆逊(W . Th o。 。 n )鼓励下开始钻研电磁
