Maxwell可算是科學史上知名度和成就最不成正比的人

論貢獻應該是要被排在Newton和Einstein之列, 但大眾很少知道他的名字

他的Maxwell's equation被Feynman稱為是十九世紀最重大的物理發現

不只一統了電和磁兩大現象, 也改寫了人類看待物理現象的方式

所有電磁波的應用, 像是無線廣播和網路, 都是從那短短四條公式開始

從中引申出光為電磁波, 且光速不隨參考等速座標改變

這也是Einstein能得出特殊相對論的出發點

雖然有Einstein和Feynman等人的推崇

Maxwell似乎還是只活在讓電機學生抓破頭的電磁學課本裡


關於Maxwell的傳記也少得可憐..包括這本一共只有三本

不過看完可以理解為何他不出名的原因了

一來是他48歲就不幸早逝, 他的電磁學在當時還是被視為異端

很少人理解其重要性, 也缺少信徒幫他推廣

二來是他沒有像Newton或Einstein一樣有著人人可以傳誦的天才故事

他的電磁方程式並非如神來一筆般的突然出現, 而是經過好幾年不同版本的演進

因為沒有故事性就這樣被大眾遺忘了


出乎我意料之外的是, 他在當時是被歸於實驗派的

他本人做實驗和實作的功力一流, 非常強調理論和實驗必須合為一體

理論對他來說只是用來解釋自然的管道, 並非一定是真正背後運作的方式

像是質量, 本身無法直接測量, 但卻能用來解釋許多現象

而究竟有沒有質量這東西, 或是質量的本質反而不是那麼的重要

也是這種思維才產生了用field(場)來描述電和磁的突破性想法

在當時這還被視為偏門, 但現在許多物理學說都是墊基在場論上?


除了電磁學, 他的重要貢獻還有視覺三原色和統計物理學

他進行了人類第一次大量的視覺三原色實驗, 結果和後來CIE XYZ差不了多少

不要太驚訝能讓你在電腦和電視上看到顏色的技術, 他170年前就墊下最重要的基礎

也是他, 做出了人類第一張彩色照片

在他之前, 也沒有人想到可以用統計學的方法來處理氣體分子的現象

他在這方面的某一個預測和實驗不符, 他便結論到一定有更基本的物理現象我們還不知道

在幾十年後謎底終於揭曉, 那就是量子力學的基本假設, 能量是量子化這件事


書中我對他印象最深的一句話大概是這麼說的

"他不會去勸阻任何人去做任何實驗, 因為就算他沒發現他想要的, 他也可能可以找到其它東西"

這種客觀的實驗精神就是Maxwell的最佳寫照

以下按時間順序簡介他的一生, 對他或是對那四條方程式有興趣的人應該可以發現一些有趣的東西吧

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他的祖先姓氏為Clerk, 但因後來和別人聯姻改成複姓Clerk Maxwell

今天大家只記得Maxwell, Clerks真是虧到了

他是出生在Edinburgh的蘇格蘭人

他父親後來為Glenlair的地主, 他之後也繼承了該地, 生活基本上是很充裕

母親早逝之後, 他和父親的感情很深厚

從小就不停的在問"為什麼", 但不是小屁孩那種惡作劇式的問法

當他知道門鈴是按鈕有線連到一個鈴上, 他就把家中門鈴每條線都追蹤一遍才接受這個說法

中學時期學校教到, 用兩個大頭針把一條線的兩頭固定

然後用筆把線撐直劃出來的圖形就是橢圓, 每點到兩焦點距離p, q有著p+q=s的公式

一般小孩(像我一樣)到這裡就停了

Maxwell卻把線在焦點和筆中間先繞一圈再固定到另一個焦點

這樣畫出來的圖形會像顆蛋, 公式變成2p+q=s

以此發展可得到mp+nq=s的圖形, 他也用這個寫了人生的第一篇論文, 開啟了化腐朽為神奇的人生


一開始他父親捨不得和他分離太遠, 所以他唸了三年的University of Edinburgh

但他的能力實在太好, 在親友的說服下才同意讓他去唸最頂尖的Cambridge University

23歲於Trinity College畢業後, 在Cambridge當了兩年的bachelor scholar, 開始了研究生涯

這段期間開啟了他後來的兩個主要研究課題

第一個是他證實了Thomas Young在幾十年前提出的視覺三原色的假說

人類能看到的顏色都可用紅綠藍光混合來模仿

他用轉盤來做實驗, 想像把紅綠藍等分的塗在圓盤上, 旋轉起來人眼看起來會像白色

這樣的原理就可用來找出每種顏色在三原色的混色比例 (那轉盤今天看起來很像小學生的作業)

第二個是electric/magnetic flux和field的概念

Faraday是當時最有名的科學家, 但他的長項是實驗, 對於數學還真是有點抱歉

但他的直覺非常靈敏, 當時人們只知道電磁力隨距離平方成反比, 便沒有任何進一步的想法

他提出了電磁力線的概念 (他用磁鐵擺在磁粉下就可以看到的磁線來說明)

可是不為當時的物理學家接受, 覺得怎麼會有這種虛幻的東西飄在空中

但Maxwell很喜歡而且改進了這想法, 提出了電和磁場有流通量的想法

流通的密度越高電場就越大, 用一個電荷總流出的電通量是固定下, 可推出電力和距離平方成反比

這就是往Maxwell's equation踏出的第一步


25歲時他被在Aberdeen的Marishal College聘為教授

開始了教學生涯, 但他上課很容易夾雜太多細節, 所以效果並不是很好

27歲時和大他七歲的Katherine結婚

這段期間他研究了土星環, 確定了那是由小碎石所組成, 這也讓他開始成為有名的科學家

人類在他之後對於土星環的了解就沒有增加很多了

另一方面他也開始了氣體統計力學的研究

然而在29歲時, 因為併校的關係竟然被解職了, 申請University of Edinburgh也失敗

更因為染上了天花, 差點連命都沒了

幸好後來London的King's College惠眼識英雄聘他為教授


他在King's College London的五年間可算是研究成果最豐碩的一段時間

他成功地製造了人類第一張照片, 一個彩色的緞帶

tartan_ribbon

有趣的是, 明明當時用的紅色濾光片應該得不到想要的顏色

他們只是硬著頭皮試一下, 但竟然成功了

約100年後Kodak Research Laboratories才發現, 那濾光片的確得不到想要的紅色

但它有另一個頻段是紫外光的部份, 而恰好該緞帶反射的紫外光跟紅光的大小一樣!!

這個奇妙的巧合再次告訴我們, 千萬別放棄任何實驗, 你永遠不知道你會拿到什麼巧克力


當時因為測量單位太多太雜亂, 他也幫忙重整了測量單位

那就是以質量(Mass), 長度(Length), 時間(Time)為準的MLT系統

像是把加速度訂為m^2/s就是他的提議


最重要的是這段期間人類的電磁學向前跳了一大步

當時人類早知道改變磁場會產生電流(法拉第效應)以及電流會產生磁場(安培效應)

但始終被視為兩個獨立事件, 為了幫助他自己對電磁效應有更直觀的認識

他建立了用spinning cells為基本單元的mechanical model, 試圖把兩個效應綁在一起

畢竟人類對於可以視覺化的機械結構比較能接受

想像spinning cells之間有小珠子團團圍住

每一個spinning cell的旋轉被解釋為一個小磁場的產生

像一顆橡膠球一樣, 一旋轉就會變胖, 進而帶動小珠子活動, 而小珠子的移動就視為是電流

這樣看似荒謬的model (沒人會相信真的電磁場是這樣運作的吧?)

他卻能得出和人類已知的電磁效應一樣的數學結果

但真正重要的有兩個結果, 一是這model預測在真空中小珠子一樣能流動, 也就是displacement current

二是這預測了電磁場在真空中也會互相產生, 進而產生像波一樣的傳遞效應

依黏性物質的延伸性和密度, 可以得出波的行進速度

而Maxwell在這裡得到的就是用已知的電磁係數得出波的速度

而該數字和已知光的行進速度非常接近, 於是他大膽預測了光就是電磁波!!

僅管預測結果和真實數字很接近, 但這詭異的model帶來的問號似乎比驚嘆號還多


接下來真正的突破在於, 他認為我們並不需要有個mechanical model來認識電磁學

他就把電磁場完全給抽象化了, 並在1865年給出了Maxwell's equation

一開始x,y,z軸的變數還是分開描述, 所以方程式看起來很長

但後來用向量描述後, 短短四條式子就決定了電磁的所有效應

預測了電磁效應會產生電磁波, 無關頻率速度都為光速

他在這裡的主要貢獻一是電磁場的抽象化, 二就是用電場的變動代替了安培效應裡的電流

可惜的是, 這一成就在英國後來幾乎被漠視了, 連他本人也無法證實電磁波的存在 (英年早逝啊)

直到後來1886年Hertz證實了電磁波的存在, 以及1887年Michelson-Morley實驗證明光速恆定

他的理論才逐漸開花結果


1865年他也因為太想念鄉村生活, 想當個好地主, 所以辭職回到了Glenlair

這六年期間他還是繼續用閒暇時間做研究, 一大工作就是撰寫電磁學的巨著

此外他也提出了Maxwell demon的思考實驗, 為後人展開了entropy的相關研究

還有人類第一篇在控制系統的論文, 為negative feedback的始祖


1871年被Cambridge University邀請為實驗物理學的教授

主要工作是要建造一個能和外國實驗室匹敵的Cavendish Laboratory

他改變了Cambridge對實驗科學的態度, 後來這實驗室發現了電子和DNA雙螺旋

1873年他的電磁巨著Treatise on Electricity and Magnetism出版

如同Einstein未因相對論拿諾貝獎一樣, 他從未因電磁相關研究獲獎, 人生很有趣啊


1877年他開始出現胃灼熱的困擾, 一開始吃藥就能克制

但一年半後藥變得沒有作用, 經醫師診斷後應該是和他母親一樣的腹部相關的癌症

在1879年以48歲的年紀就離開人間

他是一個連回覆paper review都喜歡帶點笑話的人, 深受朋友和同事的喜愛

他的醫師也形容是他見過最能冷靜迎接死亡的人


永遠帶著實驗精神看待所有事情的客觀態度

低調又溫和的個性

這就是你所不知道的Maxwell

 

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