爱因斯坦的生平和贡献

18~19世纪的欧洲,就像开了挂一样,诞生了不计其数的天才科学家。
这些天才科学家取得的辉煌成就,奠定了现代学科的理论基础,为20世纪人类科技的全面腾飞创造了条件。
以我们通信行业为例,目前我们最前沿的通信科技,不管是5G,还是Wi-Fi 6,都是基于电磁理论发展起来的技术。而电磁理论,就是18~19世纪奠基完成的。
我们今天这篇文章的主角,就是电磁理论的重要奠基人之一,大名鼎鼎的麦克斯韦。

麦克斯韦,全名是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell),英国著名物理学家、数学家。除了奠定电磁理论、开创经典电动力学之外,他还是统计物理学的奠基人之一。

▉ 麦克斯韦的生平往事
我们首先回顾一下麦克斯韦的整个人生历程。 相比于小枣君之前给大家介绍过的其他大神,麦克斯韦的人生经历可以说是非常平淡,既没有大富大贵,也没有大起大落。
1831年6月13日,麦克斯韦在苏格兰爱丁堡出生。他的父亲是一位辩护律师,名叫詹姆斯·克拉克。之所以会多出一个“麦克斯韦”姓氏,是因为克拉克家族和麦克斯韦家族关系深厚,小麦克斯韦的曾祖母就来自麦克斯韦家族。小麦克斯韦他爹还继承了麦克斯韦家族的一些地产。
幼年时期的麦克斯韦,虽然家境殷实,但因为口音浓重等问题经常遭到同龄人的嘲笑,所以性格比较孤僻,不太喜欢讲话。他的教育,主要是由他的母亲在负责。
8岁那年,麦克斯韦的母亲患病去世,导致他变得更加沉默寡言。
不过,幸运的是,麦克斯韦的父亲并没有放弃对他的关爱,积极鼓励和陪伴他成长。他父亲发现,儿子经常画一些几何图形,于是,亲自教导他学习数学。
当时,他父亲还聘请了一名家教对他进行指导。然而,这名家教对小麦克斯韦极为尖酸刻薄,经常责骂他迟钝、任性。于是,他父亲在1841年11月辞退了这名家教,将小麦克斯韦送到久负盛名的爱丁堡公学就读。
这一期间,小麦克斯韦住在他的姨母伊萨贝拉家中。这位姨母对小麦克斯韦进行了悉心的照顾和教育,给他的人生造成了很多正向的影响。姨母的女儿,也就是小麦克斯韦的表姐,杰迈玛,激发了小麦克斯韦在绘画方面的兴趣和热爱。据不可靠消息,杰迈玛也是小麦克斯韦的初恋对象。
15岁的时候,麦克斯韦在爱丁堡皇家协会学报上,发表了自己的第一篇论文——《卵形线》(Oval Curves),在当地引起了不小的轰动。
1847年,16岁的麦克斯韦如愿进入了爱丁堡大学。此时的他,是班上年纪最小的学生,但成绩却总是名列前茅。他专攻数学物理,同时也接受了实验物理学、逻辑学等学科的严格训练。
1850年,在征得父亲同意的情况下,他转入剑桥大学。起初,他就读于彼得学院,后来,按个人意愿,转入了三一学院。在三一学院,他获选加入了剑桥大学秘密的精英社团——剑桥使徒。

在三一学院就读时的麦克斯韦,手上拿的是自己发明的比色环。


1851年,他开始跟随著名数学家威廉·霍普金斯学习数学。
1854年,也就是23岁的时候,麦克斯韦以第二名的成绩从剑桥大学三一学院数学系毕业,留校任教。
1855年,麦克斯韦读到了大神法拉第的著作《电学实验研究》,被书中各种各样的电磁感应实验所吸引,正式开始研究电磁学,从此一发不可收拾(后面会详细说)。
1856年,麦克斯韦来到苏格兰阿伯丁的马歇尔学院,担任自然哲学教授。当时他只有25岁,比其他教授至少年轻15岁。


1858年6月,麦克斯韦迎娶了马歇尔学院院长丹尼尔·迪尤尔的女儿——凯瑟琳·玛丽·迪尤尔(Katherine Mary Dewar)。凯瑟琳比麦克斯韦大7岁,个子也比麦克斯韦高,长相美丽且性格开朗。两人婚姻生活非常和谐美满、浪漫甜蜜,后来育有两个女儿。


1860年,马歇尔学院与阿伯丁国王学院合并成为阿伯丁大学。尽管麦克斯韦已有一定的影响力,但仍未争取到新学校的自然哲学教授职位,而且申请爱丁堡大学相同职位也未成功。无奈之下,经人介绍,麦克斯韦到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。 此时的麦克斯韦,进入了自己人生阶段中最为高产的一段时期。他在电磁领域的几篇重要论文,都发表于这一时期。1861年,麦克斯韦当选为伦敦皇家学会会员。
1865年,麦克斯韦辞去教职,和凯瑟琳一起回到家乡格伦莱尔,开始系统地总结电磁学的研究成果。这一期间,他完成了电磁场理论的经典巨著——《电磁通论》,并于1873年出版。
1871年,麦克斯韦受聘为剑桥大学首任实验物理学教授,并负责筹建该校第一所物理学实验室——卡文迪什实验室 1874年,卡文迪什实验室建成后,麦克斯韦担任实验室的第一任主任。 卡文迪许实验室后来举世闻名,对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响,被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。

卡文迪许实验室旧址,这里产生了29位诺贝尔奖得主。


后来的麦克斯韦,一直在倾力照顾自己生病的妻子(之前是照顾生病的父亲),心力交瘁。没过多久,自己也被查出患病。 1879年11月5日,麦克斯韦在剑桥因胃癌逝世,享年仅48岁 此时,他刚刚完成第二版《电磁通论》前九章的修订。值得一提的是,他的母亲当年也是相同年龄因为相同的癌症而去世的(也有说法是他母亲死于肺结核)。 逝世后的麦克斯韦,葬于苏格兰西南部罗门湖(Loch Ken) 附近的一座教堂中。

▉ 麦克斯韦的成就与贡献
好了,接下来,我们来看看麦克斯韦的人生成就。
一直以来,在学术界和历史界,麦克斯韦都被赋予了极高的地位。他的学术贡献,被认为可以与牛顿、爱因斯坦比肩。 普通人可能会质疑,麦克斯韦真的有这么牛吗?竟然可以和牛爵爷、爱神平起平坐?他不就是捣鼓了一个麦克斯韦方程组吗?值得封神吗? Hoho,麦克斯韦之所以民间名气不够大,就是吃了麦克斯韦方程组的亏。
你看牛爵爷的三大定律,咱们中学的时候就能看懂。公式的话,说来说去,也就是围绕着“F=ma”转,非常简单。


爱神的“相对论”嘛,反正大家都不懂,就知道很牛逼,就够了。公式的话,E= mc 2 ,至少看起来简单好记啊。


你看得懂不?记得住不?写得来不?
也许你在大学的时候,曾经看得懂,我相信现在已经忘得差不多了吧?
上面这个,还是经过天才物理学家奥利弗·亥维赛“改良”的版本,原版的麦克斯韦方程组有20个方程式,更要命。
所以说,麦克斯韦属于那种一般人看不懂他为什么牛逼,而专业人士明明知道他牛逼,却解释不清楚他为什么牛逼的类型。 麦克斯韦的生平极少发生八卦新闻,他的名字也没有像安培、赫兹、特斯拉一样,成为物理学单位,这都影响了他在普通人眼里的知名度。


其实,概括来说,麦克斯韦的最大贡献,就是共同参与电磁理论的奠基,搞清了光、电、磁的真相,最终帮助人类驾驭了电磁波。
没有麦克斯韦,就没有电磁波的广泛应用(或者说会晚很多年),不会有手机、无线电、广播、微波炉、雷达、卫星、CT、B超……人类社会,完全会是另外一番景象。历史的发展,也会是另外一种结局。


我们回顾一下电磁理论的诞生过程。
1820年,丹麦科学家奥斯特通过偶然发现的磁针偏转现象,提出电流存在磁效应。

此后不久,毕奥和萨伐尔在大佬拉普拉斯的帮助下,提出了著名的毕奥-萨伐尔定律,可以算出任意电流在空间中产生磁场的大小。但是这种方法在实际使用的时候比较繁琐。

再后来,安培发现了一个更实用更简单的计算电流周围磁场的方式,这就是安培环路定理。安培还总结了一个很实用的规律,用于判断电流产生磁场的方向,这就是大家非常熟悉的安培定则(也就是右手螺旋定则)。
再再后来,大神法拉第出场,经过反复实验,提出了电磁感应定律(1831年,引入了电场和磁场的概念(1837年),指出电和磁周围都有场的存在,打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。


然而,法拉第是一位实验物理学家,他小时候因为家庭穷困没有受过正统教育,数学能力较弱,所以无法通过数学公式对自己的理论进行证明,一直为此耿耿于怀。

法拉第的著作——《电学的实验研究》,从头到尾没有一个公式

在法拉第的默默召唤之下,上帝派来了数学兼物理双料天才——麦克斯韦,帮助法拉第了却心愿。 1855年,麦克斯韦发表了一篇论文——《论法拉第的力线》,第一次试图将数学形式引入法拉第的力线概念,从而初步建立电与磁之间的数学关系。这篇文章引起了物理学界的重视,也得到法拉第本人的赞扬。 1862年,麦克斯韦发表了第二篇论文——《论物理学的力线》。在这篇论文中,他首次提出了“位移电流”和“电磁场”等新概念,对电磁理论给出了更完整的数学表述。 1864年,麦克斯韦发表了第三篇论文——《电磁场的动力学理论》。这篇论文中不仅给出了麦克斯韦方程,还首次提出了“电磁波”的概念。
麦克斯韦认为,变化的电场会激发磁场,变化的磁场又激发电场。这种变化的电场磁场共同构成了电磁场,电磁场以横波的形式在空间传播,就是电磁波。 麦克斯韦推算出电磁波的传播速度,发现和光速非常接近,于是,他指出:“光与磁是同一物质的两种属性,而光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动。” 以上这些突破性进展,极大地验证了法拉第的电磁感应定律,也让法拉第可以不留遗憾地离开这个世界(1867年)。 法拉第是幸运的,但麦克斯韦却没有那么好命。
虽然麦克斯韦通过完美的数学公式奠定了电磁理论的基础,但是,因为理论过于精深复杂,公式过于抽象,所以并未得到公众的广泛认可。 在牛顿力学仍占主导的那个时期,麦克斯韦的理论遭到主流学术界的抵制,年轻学者也很少有人愿意追随他。
据说,在麦克斯韦去世那年,当他仍然坚持不懈地宣传电磁波理论时,只有2个听众愿意听他上课,一个是来自美国的研究生,另一个是后来发明电子管的弗莱明。
他逝世后,主流学术界依旧没有接受他的理论。
一直到他逝世的9年后,1888年,年轻的德国物理学家赫兹,通过实验首次证实了电磁波的存在,才真正验证了麦克斯韦理论的正确性。麦克斯韦的贡献和地位,得以被全世界承认。如果他泉下有知,也可以瞑目了。
在科学史上,人们普遍认为,牛顿把天上和地上的运动规律统一起来,是“第一次”大统一,而麦克斯韦把电学、磁学、光学统一起来,是“第二次”大统一。
值得一提的是,后来爱因斯坦受麦克斯韦方程组的刺激,想要以同样的方法统一力场,将宏观和微观的两种力放在同一组式子中,实现最终的“大一统理论”,结果没搞成。不然的话,这个世界估计又是另外一个样子了。。。
此外,麦克斯韦的《电磁学通论》,作为电磁学经典著作,也经常被拿来和牛顿的《自然哲学的数学原理》(力学)、达尔文的《物种起源》(生物学)相提并论。
所有这些,都足以证明麦克斯韦的伟大。
上面所说的贡献,还仅仅只是麦克斯韦在电磁理论方面的工作。除了电磁理论之外,麦克斯韦在光学、天文学、分子运动论和热力学等诸多领域也有非常深入的研究,对后世产生了深远影响。
例如著名的物理学四大神兽之一,麦克斯韦妖,就是麦克斯韦围绕热力学第二定律提出来的一个佯谬。
回顾麦克斯韦出生和逝世年月,我们会发现两个惊人的巧合——麦克斯韦出生的那一年,法拉第发现了电磁感应;麦克斯韦去世的那一年,爱因斯坦出生。
爱因斯坦一生对麦克斯韦极为推崇,他后来取得的很多研究成果(狭义相对论等),都离不开麦克斯韦的前期贡献。也有人戏称,爱因斯坦是麦克斯韦的隔世弟子。
1931年,在麦克斯韦诞辰一百周年的纪念会上,爱因斯坦评价麦克斯韦的建树,是“牛顿以来,物理学最深刻和最富有成果的工作。” 量子论创立者普朗克也是麦克斯韦的忠实拥趸。他是这么评价麦克斯韦的:“他的光辉名字将永远镌刻在经典物理学的门扉上,永放光芒。从出生地来说,他属于爱丁堡;从个性来说,他属于剑桥大学;从功绩来说,他属于全世界。”
来自20世纪最伟大天才们的肯定,足以说明这位19世纪最伟大天才的价值。不是吗?
参考文献: 1、《麦克斯韦对人类的贡献》,360doc; 2、《为什么麦克斯韦没有牛顿和爱因斯坦有名?》,知乎 3、《与牛顿、爱因斯坦齐名,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦生平简介》,趣历史 4、《麦克斯韦传》,佚名 5、《麦克斯韦》,刘叔物理 6、百度百科,麦克斯韦词条

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阿尔伯特·爱因斯坦(德语/英语:Albert Einstein,1879年3月14日—1955年4月18日),出生于德国巴登-符腾堡州乌尔姆市,毕业于苏黎世联邦理工学院,犹太裔物理学家。

爱因斯坦于1879年3月14日出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭(父母均为犹太人),1900年毕业于苏黎世联邦理工学院,入瑞士国籍。1905年,爱因斯坦获苏黎世大学物理学博士学位,并提出光子假设、成功解释了光电效应,因此获得1921年诺贝尔物理奖。

1905年创立狭义相对论,1915年创立广义相对论,1933年移居美国、在普林斯顿高等研究院任职,1940年加入美国国籍同时保留瑞士国籍。1955年4月18日,爱因斯坦于美国新泽西州普林斯顿去世,享年76岁。

爱因斯坦的理论为核能的开发奠定了理论基础,为帮助对抗纳粹,1939年他在利奥·西拉德等人的协助下曾致信美国总统富兰克林·罗斯福、直接促成了曼哈顿计划的启动,而二战后他积极倡导和平、反对使用核武器,并签署了《罗素—爱因斯坦宣言》。

爱因斯坦开创了现代科学技术新纪元,被公认为是继伽利略之后最伟大的物理学家。

1999年12月,爱因斯坦被美国《时代周刊》评选为20世纪的“世纪伟人(Person of the Century)”。

狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。

广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

对于爱因斯坦引入的这些全新的概念,当时地球上大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。甚至有人说“当时全世界只有两个半人懂相对论”。

旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔物理学奖授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。”对爱因斯坦的诺贝尔物理学奖颁奖辞中竟然对于爱因斯坦的相对论只字未提。(注:相对论没有获诺贝尔奖,一个重要原因就是还缺乏大量事实验证。)

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