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05 电子与磁的联想以及“麦克斯韦恶魔”

也许“自然之书”是逐页写成的。

如果是这样的话,那么第一章教给我们的方法就(能够)指导我们进一步学习后面的内容。但如果这本“书”根本不存在,如果自然只是一本杂志,那么只有傻瓜才会认为其中某一部分能够引出其他部分。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

(1831—1879年)

1831年,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦作为一个富有家庭的独生子在苏格兰的爱丁堡出生。他的母亲在孩子出生时已经40岁了。此时,查尔斯·达尔文正乘着贝格尔号踏上环游世界的旅程。麦克斯韦在物理学家中是如此有名,那些物理学家时刻都在谈论着所谓的“麦克斯韦方程组”,但这位苏格兰人又如此“无名”,科学的殿堂始终将其拒之门外。

1865年前后,麦克斯韦以数学语言再现了电学现象和磁学现象之间的关系,并认定了光是一种电磁波。他的几个同行提出了歌德借浮士德之口说出的问题:“写这灵符的莫不是位神灵?……用快乐充沛了我可怜的方寸,又凭着神秘的本能,使我周围的自然力量显呈。”而就是这位麦克斯韦,他捐出了自己的部分遗产想资助一家音乐厅,但对方寄回的感谢信上却附注:收件人已迁移——他们根本不认识他。

麦克斯韦在他所研究的学科——理论物理学之外呼声不高,他的名字也鲜为人知,这可能跟他侧重理论研究有关。1876年,电话在美国普及;2年后——也就是他过早离开人世的前一年,麦克斯韦第一次将电话听筒拿在手中。他首先注意到的是这个新物件在数学上的对称特性。他认为电话的两端有着相同的传声结构,尤其是当电话两端的人都在说着一样的废话时。

麦克斯韦过着极度隐秘的隐居生活,在外界看来,这种生活用“安静”来形容是远远不够的。他和妻子凯瑟琳没有孩子,二人经常一起研读诗歌,相互给对方朗读莎士比亚的作品。但与此同时,麦克斯韦的内心却是极其活跃的,充斥着各种想法。他曾经尝试以诗意的形式表现自己思索的过程:“我们心中的种种力量和思想,从自我守护秘密之处,穿越意识的重重风暴浮现出来,唯有此时我们才会认识到它们。而当意志与感官陷入沉默,我们才能透过来来往往的思想,感觉到潜藏于深处的暗礁与涡流。”

麦克斯韦的传记作者面临着一个潜在的问题:他的生活轨迹非常平稳,比如说,他仅有一次离开了不列颠岛,到欧洲大陆上旅行。苏格兰中心区,爱丁堡附近的格雷奈尔宽敞的民居——他的米德比庄园——对他而言已经足够,那里就是他的归所。他在那里写下了物理学界中著名的《电磁学通论》,其中,电与磁两种现象在统一的动力学基础上得到了阐释。

总的看来,麦克斯韦提出了诸多物理学的课题。他提出了一套色彩理论并且制作出了第一张彩色照片。他理解了土星光环的稳定性,并且展开了分子运动论的研究。他成功地通过构成气体的数量巨大的基本单元的特征,阐释了气体的特征,即温度和体积,等等。麦克斯韦发现,气体分子的速度并非总是一样的,它们的速度呈现出一种统计规律分布。时至今日,这种“麦克斯韦分布”成了涉及气体及其他物质的统计物理学的基础。

除了麦克斯韦方程组和麦克斯韦分布,为了证明热学中一条基本原理的有效性,他还在自己的科学研究中引入了一只“麦克斯韦恶魔”。这只恶魔说,气体或其他物质发生变化时,倾向于变为比此前更加可能出现的状态。由可能性大的状态变为可能性小的状态的过程是不会自发产生的;就好像书桌一样,只有在有人整理的时候,看起来才是整洁的。麦克斯韦想知道,是否可能存在一个棕精灵 来整理原子。所以他构想了一只恶魔,它将快速的和慢速的分子区分开,并将它们引至容器的不同位置;这样一来容器里较热的地方会变得更热,而较冷的地方会变得更冷,从而出现可观测的温度差。

为了完善麦克斯韦的“恶魔”并且拯救热力学,物理学家们花了100多年的时间。而这个构想的有趣之处在于,这只小恶魔必须去测量并且收集它想分类的诸多原子的信息。如果这只恶魔小到只能处理单个分子,那么它在之后就必须删掉它的测量数据。在这个遗忘的过程中,它会跑到别处,正如它所表现的那样,所以它不得不放弃区分分子。人们所学的物理学是正确的,热学基本原理有效。麦克斯韦会为20世纪的研究成果感到高兴的。他相信物理学定律中有着深刻的真理,而其中几条最为绝妙的就要归功于他。 HTHd7fx74egs8p98eKti78DpiAmkwjPqOSlH4AcRhhVamrtbFQINjU7rkQk4dYl+

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