首创电磁波理论的科学家——麦克斯韦

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英国科学家(1831——1879)德热姆斯·克烈尔克·麦克斯韦,是他所处的时代的忠实的儿子。正像恩格斯1845年在“英国工人阶级”一书中所写的那样:英国在60年的过程中,已经改变了面貌,变成了一个具有许多巨大工业的国家。这一时期,英国的劳动人民、工程师和科学家们,都对科学技术的进步和发展,贡献了自己的力量。天才的麦克斯韦,由于他首创电磁学方面的理论所表现的辉煌成就,对当时科学发展的贡献尤其巨大;对以后无线电技术的不断进步。更具有着极大的影响。

麦克斯韦最初的著作问世已经有一百年了。他的学说、概念和有名的公式,在任何一本现代物理、电工学和无线电工学书籍里,都占着极其重要的篇幅。他把一生献给了不间断的、顽强的、紧张的、细心而又大胆的、苦恼而又愉快的脑力劳动;所以今天的劳动人民也衷心的喜爱他,尊敬他和珍视他伟大的劳动的成果。

麦克斯韦1831年6月13日出生在爱丁堡的一个苏格兰家庭里。在剑桥大学求学时期,就开始有系统地研究电学的问题,在亚伯丁担任过教授的职务,并继续电学和光学的研究。在伦敦,他认识了伟大的物理学家法拉第,得到了不少启示,并开始写了几本关于电磁学的学说和关于气体运动原理的名著。1865年麦克斯韦开始在自己家里写成了永垂不朽的“论电和磁”一书。后来他又回到剑桥,领导一个规模巨大的研究院(凯汶迪希试验所)。1879年,逝世于剑桥。

麦克斯韦在科学方面的专业所以永垂不朽,主要是在气体物理方面和电磁现象理论上的解说和著作,这都是根据生产技术方面的需要和由于生产发展而使物理学的理论日益丰富的那些新的实际的知识所积成的。气体理论显然地是和当时蒸气技术的发展紧密的联系着的,他把气体分子的热运动用统计和或然率的方法加以分析,在他1860年的著作中,规定了分子速度和分子数目之间的分配定律。关于电磁理论的著作,虽是源于当时电气工业和通信技术的发展,但他的理论还远远的走在生产需要的前面,因为把这种学说应用在电工和通信的任何方面,都是比较复杂的事。他说明不用永久磁铁能够发电的“自激发电机理论”著作,是1867年3月发表的。这一理论的进一步发展,一方面是和交流发电机、电动机的制造有关,另一方面是和无线电学有关。

为了说明麦克斯韦在电学发展中的作用,必须简单叙述一下1825—1850年间在这方面的主要发现。1820年丹麦的物理学家艾尔斯登发现电流对磁针的作用;不久法国的科学家安培发现有电流通过的两根导线相吸、拒的“动电现象”;法拉第发现了磁场变化产生电流的现象。这种电磁感应现象的发现,推动了许多非常重要的实验和理论工作。其中最主要的是彼得堡的院士楞次发现了电磁感应的一般规律。法拉第继续证明了感应的电动力取决于磁场随时间的变化和其变化速度,他把导线周围的磁场和电场认为是实际存在着的一种介质。

1852年,麦克斯韦在“关于磁力线的物理特性”这篇文章里写着:“应当研究的重要问题,是磁力线是否实际存在”。法拉第的回答是肯定的。

麦克斯韦的理论是安培、法拉第、楞次以及电动力学其他各科学家的工作的综合。

麦克斯韦用把电场和磁场朕系起来的统一定律,解释了当时累积下来为众所周知的许多物理现象。首先他总括了电流的概念。他认为变化着的电场就是电流,即所谓位移电流,因此他把一切电回路里的电流看成是闭合的电流,断开着的两导体间虽有不导电的介质,但只要介质里的电场是变动着的,就等于有了闭合电流,这电流产生磁力和磁场,其方向和电流的方向垂直。磁场和电场二者之间的关系是:当其中一个有变化的时候,就会产生第二个。因此,他得出结论:只要电场一开始变化,马上就会在自己附近产生磁场;而磁场假如发生变化,就会产生电场。这样一来,电场和磁场就开始像“电磁波”似的传播。

这种电磁波的速度,如麦克斯韦方程式所证明的,等于静磁单位和静电单位的比例的常数。实验证明这个常数等于光的速度。麦克斯韦大胆地推断说:“光”——就是电磁振荡,从而奠定了光的电磁理论的基础。这个理论改变了过去光学和电学的理论,并使光学成为电学的一部分。

关于这种光和电特性上的新见解,直到19世纪末叶经过赫芝、波波夫、列别杰夫以及其他物理学家们的发现以后,才得到承认和推广。1888年,赫芝藉电的振荡放电,得到电磁波,他证明这种电磁波确实和光一样能够传播、折射和极化。1895年,伟大的发明家波波夫,利用电磁波传递两地间的信号,这样便发明了无线电。电磁波的实际应用,是20世纪更进一步地大大发展关于电的本质的新见解的历史基础。

19世纪的著名物理学家中,有一个天才科学家——Л.H.列别杰夫。他根据麦克斯韦的学说发现了电磁波里有电动力,当时叫做“压力”,立刻引起了全世界热烈的反响。著名的英国物理学家凯里温和K.A.契米拉捷夫在谈话中说:“您也许知道,我和麦克斯韦打了一辈子仗,不承认他所说的‘光压’,但是你们的列别杰夫却迫使我在他的实验之前降服了”。

俄国的物理学者H·A·乌莫夫和A·A·艾依思瓦里德的工作,对于麦克斯韦学说的发展具有很大意义。乌莫夫认为“能”是集聚在一定的空间里的,并且可以谈到“能”的运动和运动的速度;而艾依思里瓦德以自已卓越的实验发现了位移电流的存在。

麦克斯韦的电磁场的方程式,仍是今天电磁学方向的主要科学武器。安装设计师们利用这些方程式进行高频淬火和去水的设计工作;研究无线电波传播过程的研究员们和分子质点加速器的创造者们,都把这些方程式作为自己工作中的的理论基础。它们对于任何电学、物理学、电工技师和无线电工程师,都同样有用。

麦克斯韦的电动力学理论,和艾因斯坦的相对论学说以及现代物理学的其他许多方面都有着联系。无论是相对论或最新的理论物理学,当然都不可能把宇宙的所有规律性都综合入电动力学的范畴。现今在物质极小质点之间已发现有其他的非电力在活动着,同时我们也知道了一些不带电荷的分子质点。但是麦克斯韦电动力学有历史意义的发展,对许多最新物理学观念的创立和发展,是有很大的推动力的。

((苏联)Б·库兹佐夫原著,孟昭宾译自“青年技术”1954年第12期,本刊编写)