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数理化通俗演义: 第三十八回茶壶煮饺子笨女婿失去讲座，实验加方程物理学登上高峰——电磁理论的创立
上回说到法拉第通过实验发现电磁感应现象，并从直观的猜想出发提出了力线、场的假设，但是他一时无法用实验去证实，便将这预言封了一条锦囊存入皇家学院地下室的文件柜里，专等知音上门。 他1832年3月将这预言存起来，就这样静静地整整等了二十三年，还未见有一人上门，也未听到一句能理解他的热乎话。相反，倒是常有不少人，包括当时一些著名的物理学家，常讽刺挖苦他连牛顿这个老祖宗也翻脸不认了。他在工作得实在很疲倦时，靠在椅子上闭目养神，有时会想起开普勒在发现三定律后说的那段话：反正我是发现了，也许到一百年后才会有人理解。唉，看来此生我只好忍受这种发现的孤独了。一天他正这样唉声叹气地翻着每天收到的一大叠学报、杂志，忽然眼前一亮，一篇论文的题目跳进眼帘：《论法拉第的力线》。他就如铁汉拣着一块甜面包一样，一口气将那些字，连标点都扫了个精光。这确是一篇好论文，是专门阐述他的发现、他的思想的，而且妙在文章将法拉第充满力线的场比做一种流体场，这就可以借助流体力学的成果来解释；又把力线概括为一个矢量微分方程，可借助数学方法来描述。法拉第从小失学，未受正规学校训练，最缺的就是数学，现在突然有人从数学角度来为他帮忙，真是如虎添翼。他忙看文章的作者是谁，却是一个陌生的名字：詹姆斯•克拉克•麦克斯韦。从这一天起他就打听这个作者，但是就如这篇突然出现一样，作者也突然消失，真是来无躁去无影。法拉第只好望着天花板叹气了。 就在法拉第乍喜又忧、无可奈何之时，通往苏格兰古都爱丁堡的大路上正匆匆走着一个小伙子。他满脸热汗，衣襟敞开，像有什么急事在搅得他心绪不宁，催得他行步如风，埋下头来只顾赶路。这人正是麦克斯韦(1831-1879)。他本是在伦敦剑桥大学毕业后留校工作的，但是前几天突接家里来信，说父亲病重，便放下手头的工作赶回老家来了。 麦克斯韦生于1831年11月13日。正好是法拉第发现电磁感应那一天后的第三十三日。好像上帝将他送到人间就是专门准备来接法拉第班似的。麦克斯韦九岁那年母亲因肺病去世，于是他从小与父亲相依为命。他父亲是一位极聪明、极不受传统束缚的工程师，一次他将桌上摆了一瓶花教儿子昼写生。不想卷子交来，满纸都是几何图形，花朵是些大大小小的圆圈，叶子是些三角形，花瓶是个大梯形，父亲摸着儿子稚气的脸蛋说：“看来你是个数学天才，将来在这方面必有所成。”于是便开始教他几何、代数。这麦克斯韦也真是个神童，在中学举办的一次数学、诗歌比赛中，他一个人竟囊括了两项头等奖，十五岁那年中学还未毕业就为了一篇讨论二次曲线的论文，居然发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，十六岁考进爱丁堡大学，一次上课，他突然举手站起，说老师在黑板上推导的一个方程有错，这位讲师也不客气地说：“要是你的对，我就叫他‘麦氏公式’！”不想这位老师下课以后仔细一算，果然是学生对了，爱丁堡大学实在容不下他这个天才，1850年父亲又把他送到出过牛顿、达尔文的剑桥大学。1854年他以数学优等第二名的成绩毕业，立即对电磁生成浓厚兴趣。第二年即发表了《论法拉第的力线》。正当他才华初露要在这新领域里拓地夺标之时，忽得家信，便急急赶回家里来。 这麦克斯韦是一个孝子，一进家门见父亲形容枯槁，卧床不起，想起幼年失母，父亲拉扯自己的艰难，不觉抱头痛哭。接着他终日侍药床前，百般温顺。为能就近照顾病父，他又写信给剑桥大学，辞去职务，准备在离家不远的阿伯丁港的马锐斯凯尔学院任教，但第二年父亲便磕然长逝，他也就到马锐斯凯尔学院上任，主持一个“自然哲学”的讲座。 不想这麦克斯韦虽满腹学问，却极不害辞令，茶壶煮饺子，有货倒不出。他第一次登台，说起话来如机枪扫射一般，一堂课的内容半节课就讲完，他以为已讲清的问题，学生却瞪目摇头，他再讲一次，学生的思想还是赶不上他的舌头。第一堂课就这样草草而过。他满头大汗，学生满肚子意见，校方虽还不好意思说什么却也露出不满。麦克斯韦从小学习拔尖，一直受老师同学的尊重，何曾尝过这种为人耻笑的滋味。第二天一早他就夹着几页讲义跑到校园的小花园里对着一棵高大的刺玫瑰，两脚抓地，双目平视，一手持稿，一手斜举，清清嗓子，便嘟噜嘟噜地演讲起来。正当他进入角色之时，忽听得后面一串银铃般的笑声。他一回头不见人影，又静下心来对花上课，后面笑声又起。立时，昨天羞愧未退，今时恼怒又生。他大喝一声：“谁家女子，如此无礼！”这时树后门出一个姑娘，自衣绿裙，丰臀细腰，脸生红云，目含秋波，就如这眼前的玫瑰；体态轻盈又似园中的新柳。姑娘手中捏着一本书，趋前几步，轻轻地说：“先生，对不起！”虽只五个字，却伶牙利齿，抑扬顿挫，而又表情得体。麦克斯韦一看就知道是个大家闺秀，反倒觉得自己刚才不该粗鲁。 姑娘问道：“你起得这么早，一个人在这里和谁讲话呢？” “我是刚来的教师，不会讲课，一讲起话来就紧张得收不住舌头，因此趁早起无人，自己多练习练习。” “这并不难，我教你一个妙法。你自己觉得快时，就马上咬住自己的舌头尖，话头自然就可以收住。静静神，理理思路再慢慢说就是。如果你不见怪，我就来作你的学生，陪你练一次，总比那没有表情的刺玫瑰强吧！” 麦克斯韦这样试了一次果然见效。他请问姑娘大名，原来她叫玛丽，正是院长的女儿，就更生敬意。自此，麦克斯韦天天起早，来这花园练讲，玛丽也天天来这里看书陪练，三日两月，二人便渐生爱慕之心，便指花为媒，暗订终身。院长喜爱麦克斯韦，事后也就欣然同意招他为婿。 闲话搁过，冬去春来，转眼到了1860年，麦克斯韦来这里已经四个年头，他关于土星光环、气体力学的研究也已取得两项重要成果，虽是无暇光顾他时刻挂念的电磁学。而这时又赶上马锐斯凯尔学院和另家学院合并，他主持的讲座也被撤销，新的饭碗还不知在哪里。这时他的母校爱丁堡大学正要招一名自然哲学讲座教授，他连忙报名。同考的共有三人，论学问和名声，他自然会稳被录取。不想在口试的时候，他面对台前母校里的那些老一辈师长，不觉又紧张起来，虽然也努力去咬舌头，但反而时快时慢，话语断断续续。最后竟因“口头表达能力欠佳”而落选了。他和妻子本不愿再到外乡谋生，老丈人当然更愿他和自己的独生女留在身边，共享天伦之乐，无奈这个心灵舌笨的女婿一试落选也只好垂头丧气。于是麦克斯韦只好带着妻子又来伦敦投靠皇家学院。但塞翁失马，赛知非福？他万没想到在爱丁堡落选，却成就了他的一番事业。 再说法拉第自从读了麦克斯韦的那篇文章后，就每天留心有无类似的文章问世，同时也打听麦克斯韦的消息，谁知就如彗星划过天空一样，知音来得快，走得也快，岁月流逝，杳无消息。而他也一天天的老了，到1860年他已是一个七十九岁的龙钟老人，越发悲伤自己抱卞和之玉不为人知，莫非那地下室里的文件真要到几百年后才去兑现吗？这天早晨他拄着拐杖在自己门前的草坪上散步，还是想那件放不下的心事，这时远处是来一男一女，男的年轻潇洒，女的恬静美丽，他看着这两个人忽然觉得那就是四十年前自己和妻子萨拉的影子。唉，老了，青春一去不复返了。这样想着，那对男女已经走到眼前，女的手中提着花花绿绿的一大堆礼品，男的趋身近前弯了一下腰，恭敬地问道： “你可是尊敬的法拉第先生？” “是的，我就是那个普普通通的迈克尔•法拉第。”法拉第最怕人对他恭维，所以在自己的名字前面总要加个定语。 “我是您的忠实的学生麦克斯韦。” “你就是写论文谈我的力线的麦克斯韦先生吗？” “是的，我在您的面前，在您的学识面前，不过是个小孩子。”麦克斯韦整整小法拉第四十岁呢。 当法拉第证实他面前的就是麦克斯韦时，他一把摔掉拐杖，眼里顿时放出光芒，麦克斯韦也一下扑上去两人紧紧地拥抱在一起。一个实验大师，一个数学天才，这是物理和数学的拥抱，是物理学的大幸。法拉第又喊：“萨拉，来贵客了！”萨拉一见玛丽立即就从心里生出一种由衷的亲热。这两个女性，在科学史上无数科学家的妻子中她们是少有的美丽、温柔，终身勤勤恳恳，默默无闻地支持丈夫的研究。两位夫人一见如故，使到客厅里叙话，又到厨房里弄菜。法拉第早拉着麦克斯韦进了书房。 法拉第说：“我等你等得好苦。你终于回伦敦来了。” “是你身上的磁场太大了，终于又把我吸引回来。这回不但回到伦敦，还回到皇家学院，回到你的身边。” 法拉第谦虚她笑了一笑说：“可惜我老了。不过还来得及。第谷向开普勒交班时，生命只剩下一年。上帝能再给我一年也就够了。” “老师您会长寿的。” “祝我们的新理论长寿吧！” 两人高兴得哈哈大笑起来。 法拉第经过几年的研究，已经证明了磁能变电，能变出电流，能变出电场。电流和电场还不一样，前者很明显能使导线发热，能电解水，叫传导电流。后者虽也有电流的某些性质，但很不明显，聪明的麦克斯韦就给它起一个名字叫“位移电流”。传导电流能激发出磁场，影响磁针偏转，那么这位移电流(电场)能不能激发出磁场呢？这不比那具体的有热感能击人的电，也不比那很明显能吸铁的磁，它们实在太不明显了，太玄秘了，法拉第实验了多少年还是没有我见他们的联系。正像一些微雕专家在一根头发丝上能刻一首诗一样，他早已不靠眼而只靠感觉来指挥了，事情往往到极微妙的程度时倒不是用实验而是用推理来决定了。这个难题果然由麦克斯韦用数学公式推导出来了。1865年——请读者记住，这是科学史上电磁理论的诞生年麦克斯韦发表了一组描述电磁场运动规律的方程。他证明变化的磁场可以生成电场，变化的电场又可生成磁场，这比法拉第的磁性能生成电流，电流生成磁性又高一筹了。磁场→电场→磁场→电场，这两个场的作用不断运动着，并不是像牛顿力学描述的那样的真空超距作用。法拉第的预言得到了最完美的阐述和严密的数学证明。而且更妙的是麦克斯韦用自己的方程居然推出了电磁波的速度正好等于光速，这又证明光是一种磁波。光学和电磁学在这里汇合了。当年牛顿和胡克、惠更斯为了光的本质发生一场多么伤感情的争吵啊，今天才回到真正的统一。 正是： 牛顿攀登靠人梯， 麦氏盖楼有基石， 科学从来是接力， 接过旧知创新知。 法拉第毕竟比第谷是幸运的。他看到自己理论的完善，看到了接班人的业绩。在电磁理论确立后的第二年——1867年，这位电磁学的开山祖满意地离开了人世。而麦克斯韦在1865年发表公式后，就立即退避到乡间老家的庄园里，杜门谢客，写作详细阔述这一理论的《电磁学通论》。到八年后这本可以和牛顿1687年出版的《自然哲学》媲美的巨着终于出版。牛顿筑起一座经典力学的大厦，而麦克斯韦则盖起一座经典电磁学的高楼。物理学经过186年的艰难攀登，终于又跃上了第二高峰。 再说这麦克斯韦躲到乡下去写书，而伦敦方面哪允许这样的名牌教授去隐姓埋名、悠然自得？他的母校剑桥大学更是派人今日叫，明日请，左一封信右一封书，终于把不愿割舍田园之乐的麦克斯韦夫妇又请回了伦敦。麦克斯韦一边筹划剑桥大学的第一个物理实验室——卡文迪许实验室，一面开设讲座，讲解他的电磁理论。但是他的理论太高深了，曲高和寡，听讲的人越来越少。 电磁学的进程 证实电磁波的存在：赫兹(1888) 建立电磁理论：麦克斯韦(1865) 发现磁变电：法拉第(1831) 发明电磁铁：斯特詹(1825) 发现电变磁：奥斯特(1820) 发现磁能吸铁指南：战国时期(前475) 1879年，麦克斯韦虽然才四十八岁，但是他已走到自己生命的最后一个年头。曾夺去母亲生命的肺病现在又来缠他了。他身体虚弱，气力不足，但还是按时上课。这天他走进宽大的阶梯教室，只有前排坐着两名学生，教室空荡荡的。这个著名的教授、理论物理学家在讲坛上好像从未交了好运。他知道学生们听不懂他的思想，一个个都自动缺席了。他侧身问坐在前排的两名学生：“你们为什么不走呢？”这两名中有一个就是后来发明了电子管的弗莱明。他恭敬地站起来说：“先生的理论我能听懂，太完美和谐了，简直是一门自然美学。”另一名说：“走了的人里也有人是能听懂先生的理论的。但是他们说，现在还没有人用实验找见电磁波，所以也就不相信、不愿听了。” 麦克斯韦说：“会发现的。理论总是要超前一步的。牛顿1687年公布万有引力，勒维烈1846年才找见海王星，过了159年。我相信电磁波的发现不会再等一百多年了。” 麦克斯韦说着翻开讲义，向两个忠实的学生笑了笑，对着空空的大教室，又像是对着世界，对着未来，继纸续认真地讲着他的理论。而他的预言也没有错，这时在和英国一海之隔的法国，已经给他准备了一个二十二岁的接班人。到底此人是谁，电磁波找见没有，且听下回分解。 |
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