- 文章分類 -

文章專區

2019-04-01近代物理的先驅- 馬克士威 592 期

Author 作者 賴昭正/前清大化學系教授、 系主任、所長;合創科學月刊。
在《科學月刊》539期〈規範對稱與 基本粒子〉一文裡,筆者已介紹規範對稱及基本粒子的發展史,因此在撰寫《泛科學》〈 基本粒子的標準模型〉一文時,本想只做個敘述性的總結,但卻情不自禁地一直想到馬克士威 (James Maxwell)這一位對近代科 學發展擁有重大影響的物理巨擘。眾所周知,近代物理學的兩大發展是相對論及量子力學。相對論鼻祖愛因斯坦曾毫不諱言地表示:「特殊相對論源自於馬克士威的電磁場方程式。」 敲響量子力學之鐘的普朗克(Max Planck)則表示:「 他(馬克士威) 的偉大無人能比!」事實上,《物理 世界》( Physics World)在 20世紀 結束前,對100位當時被認為最傑出 的物理學家的問卷調查中,馬克士威被評選為有史以來第三大物理學家,僅次於愛因斯坦和牛頓。可是除了物理和化學領域的科學家外,又有多少人知道他呢?更遑論家喻戶曉了!因此決定寫一篇專文介紹他。

風光的職業生涯

馬克士威於1831年出生於蘇格蘭愛丁堡的富裕家庭,父親是一位律師,母 親在他8歲時就過世了。他從小便喜 好幾何及具好奇的個性,因此由父親及嬸母家教到10歲才進入一名 校小學,在13歲獲得數學、英文及詩 詞獎前,成績平平不起眼;14歲時發 表了一篇以機械法用麻線畫數學曲線的數學論文,及闡釋橢圓、笛卡爾橢 圓和具有2個以上焦點的相關曲線之 性質的科學論文。同年,他也可以背誦聖經,後來成為福音派新教徒;像牛頓一樣,他認為宗教是私人事務,也認為科學與宗教之間沒有衝突。 17歲時進入愛丁堡大學(University of Edinburgh),在那裡他開始接 觸到化學、電和磁等儀器,對偏振光 (polarization)特別感興趣。18 歲時在愛丁堡皇家學會會刊上發表2篇論 文。1850年進入英國劍橋大學,4年後以第2名成績(Second Wrangler) 取得數學學士學位。1855年就被選上 劍橋大學三一學院(Trinity College)的院士;隔年25 歲時被授予愛丁堡 最高數學獎,成為蘇格蘭馬歇爾學院 (Marischal College)的教授兼系 主任:除了授課,還免費到附近各社區學院演講。

1860 年,當馬歇爾學院與其它學院 合併成亞伯丁大學(University of Aberdeen)時,馬克士威因教職「過 剩」而被迫離職,最後進入倫敦國 王學院(King’s College)。馬克士 威在倫敦一直待到1865 年,完成許多著名的工作。後續回到蘇格蘭的家 中6年,致力於實驗、計算和寫作。 他在1866 年寫道:「我現在有許多 時間做我任公職時無法做的事情:實驗和胡思亂想物理。」《電磁通論》 (A Treatise on Electricity and Magnetism)一書大部分的內容就是在這期間完成的。1871年,回到劍 橋大學擔任第一任的卡文迪西實驗室 (Cavendish Laboratory)物理教授, 負責興建實驗室,為近代科學史上的第一個「專業」科學實驗室,為後來 電子、中子及DNA等的發現地,培 養出數十位諾貝爾獎得主。1879年, 因腸癌於48歲英年早逝。

一統電磁的馬克士威方程式

馬克士威在國王學院裡結識於皇家 學院工作的年邁法拉第(Michael Faraday),開始其創世紀的電磁場 研究。1861~1862年間所發表的4篇 論文可說是將法拉第的力線(lines of force)實體化。法拉第從來沒有受 過正式科學教育訓練,因此使用力線幫助想像,馬克士威則用抽象數學表示這些力線,謂時空的每一點都有一個構成「場(field)」的向量數值: 「場」已經是了解基本粒子及相對論所必要的工具。

除了上述數學化法拉第的力線外,馬克士威也將當時已知的4 個電磁實驗結果:
(一)描述電荷與其靜電場之間關係 的高斯定律(Gauss’ law)。
(二)磁極(荷)不可能單獨存在的高 斯磁定律(Gauss’ magnetism law)。
(三)描述時變磁場如何產生(誘導) 電場的法拉第定律(Faraday’ s law)。
(四)描述電流如何產生(誘導)磁場的安培定律(Ampère’s law)。

簡潔地以20 個數學方程式表示。從 那些簡潔的方程式中,他看出原來的安培定律只適用於穩定的電流情況,因此人為地加進稱為位移電流 (displacement current)的項目!位移電流不但解決時變電場如何產生(誘導)磁場的問題(安培—馬克士威定律),也讓馬克士威看出電磁本是一家人的對稱關係,使他成為第一 位統合自然界2種不同作用力的科學 家。也就是這一項令他在1865 年導 出電磁波的存在,並證明光事實上就是一種電磁波!也正是由這一理論所推導出來的結果與實驗不合,因而推動近代量子物理的發展。......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】