《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第7节作者:
一朵熊ss
麦克斯韦备受鼓舞,继续在那错综复杂的涡旋之中奋勇搏击,六年后,他向英国《哲学杂志》递交了第二篇惊世之作:《论物理力线》,将法拉第的场论推向了极致。文章中,麦克斯韦论证道:如果在某区域内电场随时间而变化,那么其邻近的空间内就必然会产生一个磁场;而如果这个磁场也跟随时间不断变化,它又将产生一个新的电场……整个过程就好似向水潭投下一粒石子,霎时,能量在电与磁之间来回振荡,激起一圈又一圈涟漪;而踏着电场-磁场-电场-磁场那韵律十足的节拍,轻灵的波纹不禁跳起了霓裳舞曲、水袖向着四方弥散开来——电磁场以波的形式于时空之中交替衍生、源源传递,这便是“电磁波”的由来。麦克斯韦不仅用数学语言精确地描述出电磁场,更勘破了其最本质的生存方式!
深不见底的洞窟之中隐隐游来一线微光,方向很可能是对的,但脚下的道路依然荆棘密布,现有的关系式仅能涵盖迷宫版图的一角,麦克斯韦渴望参透它的全貌。脑海中飞转的旋涡间又填进了圆滑的微型“惰轮”——其作用类似于工程师为减小转轮间的摩擦力而加装的滚珠,借助这套脚手架,他在牛顿力学的基石之上几乎全凭一人之力建造起一整座物理圣殿——电动力学,1965年,麦克斯韦献给世界最珍贵的礼物《电磁场的动力学理论》正式出炉,论文以环环相扣的四个偏微分方程铿锵有力地宣布道:电与磁之间变幻莫测的行为模式全都可以由动力学定律推导出来!当把方程引入无场源的理想空间之中,电场力在任意一点周围极小的邻域之内平均值为零;同样,该点也感受不到任何一方的磁场力;磁场在空间中的变化与电场在时间中的变化两相呼应,反之亦然——大自然以至纯至简的方式向人们展示了对称性动人心魄的美丽。不仅如此,通过麦克斯韦方程组,我们还能够从力与场的角度出发,重新推导库仑关于静电力的定律、法拉第关于电磁感应的定律……跨越十年光阴,麦克斯韦终于以其三篇逐层递进的论文通过对“运动”这一古老概念的全新解析将电场与磁场紧密地结合在一起,从此电磁效应再也不是物质王国中的孤岛,它与经典力学之间产生了微妙的联系。
日期:2014-10-04 22:36:36
但论文刊出之后,大部分学者对麦克斯韦独树一帜的理论都感到非常困惑,特别是他为了推演方程于虚无之中凭空捏造的机械小轮,尤其饱受诟病。虽然麦克斯韦一再强调:不论流体涡旋还是刚体惰轮,都只不过是一种模糊的参照,它们并不对应真实情形——正如大厦建好之后,拆除脚手架并不影响其稳固性——诸位应当关注方程本身的正确性。可电动力学一经问世,那振长策而御宇内的气度就注定其早已超越时代,由于尚无可靠的实验作为佐证,在很长一段时间内麦克斯韦方程组都没能获得世人的承认。好在同所有追寻着好奇心前行的人一样,麦克斯韦的研究兴趣十分宽泛,心知自己沿着法拉第的梦想辛勤哺育的电磁学已然从经典物理这棵苍天巨树的根基窜出新的枝丫,只需耐心等待必定开花结果;于是他欣慰地一笑,便把目光投向其他枝干:天文学、热力学、统计力学……从天边的星辰到杯中的水滴,他要拥抱整棵大树!
1871年,麦克斯韦受命为剑桥大学创建一所实验室,他立刻全心投入于这项工作,督建大楼、购置设备、招纳贤才……三年后项目终于竣工,一群资深教员身着盛装涌入礼堂,准备聆听麦克斯韦的就职演讲,却看到了滑稽的一幕:他一本正经地对台下并肩而坐的年轻人与老教授解释着摄氏温标与华氏温标之间的区别。原来,麦克斯韦在忙于工程推进的同时,还不忘四处“盘踞”教室、开设系列课程为学生们进入实验室打好基础。这座实验室就是举世闻名的“卡文迪许实验室”,麦克斯韦作为它的第一任领航人,为初面暴风雨的巨轮扬起了开明、自由的风帆。众所周知,麦克斯韦是一位杰出的理论大师,他本可利用这一机会带领整个团队专攻自己的课题,这样的话电动力学、统计力学说不定早都得到了验证,而剑桥将成为“麦克斯韦学派”的摇篮;但声望从来就不是他所求,麦克斯韦深知实验室的长远发展必须建立在参差多态的基石之上,因此,他鼓励学生独立思考、追随各自的志趣建立课题,从不为他们指定研究方向,只在学生需要时给予建议。卡文迪许初建成时,英国在实验领域已经落后对岸许久,著名的《自然》杂志甚至含蓄地表达了来自欧洲大陆同情:“幸运的话,卡文迪许在十年之后才有机会赶上德国地方大学的步伐。”但短短几年间,实验室不仅成果丰厚、更以其罕见的包容性吸引着全世界的学者前来寻求合作。可正当此时,麦克斯韦却倒下了——与母亲一样的年纪、一样的病症——1879年,年仅48岁的麦克斯韦带着他未完成的诸多心愿恋恋不舍地离开了人世、长眠于格伦莱尔。
“一位好人,幽默而睿智,他生活在这里,并被埋葬在苏格兰教堂墓地的废墟中。”远行的游子终于又回到了家园、回到了亲爱的爸爸妈妈身边。
日期:2014-10-05 20:40:28
然而,麦克斯韦的故事远未结束,在其身后的百年间,他的名字将一再从地平线跃出,魔术般地于蓝天之上架起座座虹桥,让古老的力学城堡与伸缩自如的相对论时空相连接,每跨过一座桥,你都会发觉自己距离宇宙最深层的秘密又近了一步。而这史诗般的探险旅程的起点正是本章的主角:光。1962年,麦克斯韦在他伟大的“电磁三部曲”第二部的尾声就已明确指出:光是一种电磁扰动,该扰动严格遵循电磁定律以波的形式在场中传播。他不但以宏观视角重新证明了菲涅尔的结论——光是一列横波;更进一步断言——光是一列电磁波!
原来,百万年间让我们迷恋又迷惑的光不过是庞杂的电磁波族群中的一个成员,准确地说,它的名字应该叫做“可见光”;由于可见光的振荡频率恰好落在人眼能够感知的范围之内,因此才最早为人类所结识。我们知道,彩虹之中赤、橙、黄、绿、蓝、靛、紫各单色光是依照频率的大小来列队的,红色频率最低,而紫色频率最高,但电磁舞曲并不仅限于这七个小节;红光之外,还有振荡相对缓慢的近红外、远红外以及微波辐射等等;而另一端紫光之外,则有振荡急促的紫外线、X射线、γ射线等等……在电场与磁场的交相映衬下,悠扬的旋律向着两端无限延伸。近代研究还发现:每种生物对“光”和“色彩”的定义也不尽相同,大多数哺乳动物都没能进化出分辨单色光的神经系统,因此它们的世界全由黑、白、灰构成;相反,被认为比较低等的昆虫却掌握了高超的辨色技能。以蜜蜂为例,科学家在其面前放置两张白纸,一张涂的是锌白,另一张是铅白,这两种“白”在普通人眼中根本毫无区别,但蜜蜂却能够立刻将它们分辨开来。那是因为:除了我们熟悉的七种单色光之外,在紫外光区纸张同样会反射各种高频电磁波,而蜜蜂的复眼可以轻松俘获这些在地球人的辞典里找不到容身之处的“紫外色”。由此说来,人类视界里纯净如水的白色花朵在蜜蜂心目中恰是姿色万千的精灵,引诱着它们前去采撷。然而,蜜蜂面对低频段的电磁波却是不折不扣的色盲,如果一朵花儿只反射红光,映在蜜蜂眼底则是黑乎乎的一团,那它岂不将失去宠爱、继而难以生存繁衍?别担心,尽管蜜蜂无法感知,但红色却是蜂鸟的最爱——正所谓各花入各眼,大自然的美并不专属于某一种生命。传闻印象派宗师克劳德·莫奈(Claude Monet)晚年间饱受白内障磨折,不知是疾病本身还是多次手术的原因,他的视觉渐渐发生了改变,越来越模糊,同时接收频段却越来越宽广。光影层层堆叠、笔下的睡莲好像要融化在幽谧的深潭,他作画时眼中究竟看到了什么,难道是妙不可言的“紫外色”?
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