麦克斯韦的物理思想论文形式.1000以上,

麦克斯韦的物理思想论文形式.1000以上,
麦克斯韦的物理思想
论文形式.1000以上,

麦克斯韦的物理思想论文形式.1000以上,
1862年,麦克斯韦在英国《哲学杂志》第4卷23期上,发表了电磁学论文《论物理学的力线》.
这是一篇划时代的论文,它同1855年的《论法拉第的力线》相比,有了质的飞跃.论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译,而是作了重大的引申和发展.其中具有决定意义的一步,是引进了“位移电流”的概念.这以前,包括法拉第在内,人们讨论电流产生磁场的时候,指的总是传导电流,也就是在导体中自由电子运动所形成的电流.麦克斯韦在研究中感到这个旧概念存在很大的矛盾.比如在连接交变电源的电容器中,电介质里并不存在自由电荷,也就是没有传导电流,但是磁场却同样存在.麦克斯韦经过反复思考和分析,毅然指出,这里的磁场是由另一种类型的电流形成的,这种电流在任何电场变化着的电介质中都存在,它和传导电流一起,形成了闭合的总电流.麦克斯韦通过严密的数学推导,求出了表示这种电流的方程式,把它称做位移电流.
从理论上引出位移电流的概念,实在是电磁学上继法拉第电磁感应以后的一项重大突破.根据这个科学假设,麦克斯韦推导出两个高度抽象的微分方程式 （方程式直到1865年才最后完善）,这就是著名的麦克斯韦方程式.这组方程式,从两方面发展了法拉第的成就.一是位移电流,它表明不但变化着的磁场产生电场,而且变化着的电场也产生磁场；二是方程式不但完满地解释了电磁感应现象,而且还在理论上进行了总结.就是凡是有磁场变化的地方,它的周围不管是导体或者电介质,都有感应电场存在.经过麦克斯韦创造性的总结,电磁现象的规律,终于被他用不可动摇的数学形式揭示出来.电磁学到这时才开始成为一种科学的理论.
在自然科学史上,只有当某一种科学达到了高峰,才可能用数学表示成定律形式.这些定律不但能够解释已知的物理现象,而且还可以揭示出某些还没有发现的东西.正像牛顿的万有引力定律预见了海王星一样,麦克斯韦在《论物理学的力线》中,预见了电磁波的存在.

从19世纪50年代到60年代，麦克斯韦在十年左右的时间内,经历了一条十分曲折的道路终于建立了完整的电磁场理论。他受到法拉第力线思想的深刻影响,看到了超距作用电磁理论的内在困难和不协调因素,决心致力于建立近距作用观点的电磁场理论。麦克斯韦于1873年在他的《电学和磁学通论》一书的前言中，叙述了他怎样通过法拉第的《电学的实验研究》一书开始研究电学的,并扼要地总结了法拉第超距作用理论家们(麦克斯韦称他们...

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从19世纪50年代到60年代，麦克斯韦在十年左右的时间内,经历了一条十分曲折的道路终于建立了完整的电磁场理论。他受到法拉第力线思想的深刻影响,看到了超距作用电磁理论的内在困难和不协调因素,决心致力于建立近距作用观点的电磁场理论。麦克斯韦于1873年在他的《电学和磁学通论》一书的前言中，叙述了他怎样通过法拉第的《电学的实验研究》一书开始研究电学的,并扼要地总结了法拉第超距作用理论家们(麦克斯韦称他们为"数学家)的观点的不同。

他说：“法拉第心目中看到的是贯穿整个空间的力线,而数学家看到的则只是超距吸力的中心；法拉第看到的是媒质,而数学家则只看到了距离;法拉第认为现象是发生在媒质内的真实作用,而数学家则满足于发现了作用于电流体上的超距作用力。”
法拉第的力线思想深深地吸引了麦克斯韦,给他留下了非常深刻的印象。他在后来的回忆中曾经谈到他那时如何地“以深深崇敬的虔诚心情,阅读了法拉第关于电磁感应实验的描述”，,并说：“法拉第实验所提供的存在力线的美妙例子,促使我相信力线是某、种实际存在的东西。”后来麦克斯韦在《电磁场通论》中又对这一点做了进一步的表白,他写道：“我主要是抱着给法拉第这些观念提供数学基础的愿望来承担这部著作的写作工作”。
麦克斯韦用类比研究的方法,为法拉第力线做了精确的数学描述,并以电磁学实验和动力学原理为依据,在前人成果的基础上通过自己的艰苦努力,最终建立起电磁场方程组。麦克斯韦电磁场理论的建立，为我们建立了丰富的方法的教益和启迪
（1）用类比方法揭示物理现象的内在联系
类比通常指对两类对象在性质或关系方面的类似性进行研究,并在此基础上做出推断,由一类对象已知的属性和关系,而达到对另一类对象的某种未知属性和关系的推测,所以它是一种从特殊到特殊的思维方式。在科学研究中起着触类旁通、启迪思维、为新的科学探索开辟道路的重要作用。
麦克斯韦指出：“物理类比的意思是利用一种科学定律和另一种科学定律之间的部分类似性，用它们中的一个去说明另一个。”“类比是建立在两类定律在数学形式上相似的基础上。”类比可以沟通不同领域的研究方法,可以在解析的抽象形式和假设之间提供媒介,还可以启发新的物理思想,帮助人们去认识和发现一些尚待研究的物理过程和规律。
麦克斯韦从汤姆孙(W.Thomson,1824-1907, 即开尔文, L.Kelvin)的类比中受到启发，在《论法拉第力线》中，他为了对法拉第的观念做出精密的处理，采用了类比方法,把力线和不可压缩流体的流线加以比较。因为流体的速度方向与流线的切线方向相同且反比于流管的截面积,所以力的强度也反比于力管的截面积,这就获得了既表示力的强度又表示力的方向的几何模型。因为在各向同性的无限大的均匀介质中,以流体源为球心,在与此源距离f处的速度与距离的平方成反比,所以点电荷产生的电场强度与流体源在流体中产生的速度相对应。从这些类比中麦克斯韦得出:流体中的压强与静电电势相对应,流体中的压力梯度与电势梯度相对应。他明确指出,由于导体中电阻的存在,为了在一个闭合回路中产生稳恒电流,还必须有电动势存在。
麦克斯韦通过把电场和流速场类比,在对法拉第力线作出了精密的数学处理的基础上,他依据电磁学的一些基本原理(如欧姆定律、安培环路定理等),确立了各电磁量之间的相互联系,采用通量、环流、散度、旋度等具有明确定义的量,来描述电场和磁场在空间中的变化情况,并建立起电磁场的基本方程。
（2）用精确的数学语言建立电磁场理论:
简明精确的数学语言是表述科学概念、科学理论的重要形式，是科学发展的要求,也是科学成熟的标志之一。正如马克思所说:：“一门科学只有成功运用数学时,才算达到了完善的地步。”随着科学技术的进步,现代科学的发展己日趋定量化,只有定量化的数学描述才能经得起在量上的实验检验,也才能从量的细微差别上寻写找理论的不足之处和改进办法。麦克斯韦凭借他深厚的数学基础和娴熟的数学技巧，将他的思想、模型和图象最终表述为电磁场的基本方程组。
麦克斯韦在《论法拉第力线》中,用数学语言表述法拉第的电紧张态和力线概念,引进了感生电场概念,推导出了感受生电场与变化磁场的关系。他在《论物理力线》中,借助于分子涡旋模型，推导出涡旋物质中波以光速传播的公式,揭示了电磁现象与光现象的联系,做出了光是电磁波的预言。他在《电磁场的动力学理论》中,确立了场的概念,引进了位移电流概念,按照电磁学的基本原理(高斯定理、电荷守恒定律)推导出全电流定理,最后建立起电磁场的基本方程。
用精确而定量的数学语言描述物理观念在麦克斯韦的工作中得到充分体现。他用数学公理化的方法对前人的成果加以综合整理,使理论系统化、形式化、规范化,他的电磁场方程组就是科学理论公理化的典范。在《物理学的进化》一书中,爱因斯坦和英费尔德评论说：“这些方程的提出是牛顿时代以来物理学上一个最重要的事件,这不仅是因为它的内容丰富,并且还因为它构成了一种新型定律的典范。”
值得指出的是,麦克斯韦作为数学物理学的大师,是非常重视数学理论与物理实验相结合的。他说：“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理科学知识,比之一个单纯的实验人员或者单纯的数学家能具有的知识更加坚实、有益而牢固”。1874年他创建了世界上闻名的“卡文迪什实验室“并亲自担任了首届主任,树立起良好学风。他在就职演说中说：“习惯的用具一一钢笔、墨水和纸张——将是不够的了,我们将需要比教室更大的空间,将需要比黑板更大的面积。“这是对当时在保守的英国大学里还占统治地位的所谓“粉笔”物理学的严厉驳斥。他把实验室看成“科学评论的学校”,倡导用集体的力量来完成科学研究工作。这正是未来自然科学研究方法的基本形式和萌芽。
麦克斯韦与法拉第是近代电磁学史上的两颗巨星,他们都在电磁学领域取得了极大的成功。虽然他们两人的科学方法与科学风格迥然不同,然而麦克斯韦并不因此贬低法拉第的风格。他曾说：“因为人们的心灵各有不同的类型,科学的真理也应当以种种不同的形式来表现。不管他以粗豪的物理方式说明其生动的颜色也好,还是以一种朴素无昧的符号表现也好,都应当被当作是同样科学的。”麦克斯韦终身都保持着谦逊谨慎的高尚品格。他曾认为，他自己与法拉第相比,只不过是一只笔,写出了法拉第那些杰出的科学思想。爱因斯坦曾把他们两人称作科学上的伴侣,就像当年天文学上的第谷和开普勒一样。
爱因斯坦还深刻地阐述了麦克斯韦对物理实在观念发展的影响。他说：“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础。”但是人们关于物理实在的观念决不是不变的。事实上,它在历史进程中已经经历了影响深远的变化。爱因斯坦指出：在牛顿的观点中,质点是我们表示实在的唯一形式,是实在的唯一代表。这种观点
本质上是原子论的和机械论的。一切事件都要用机械的方式来解释——也就是说,完全要被解释为按照牛顿运动定律的质点运动。然而,在法拉第和麦克斯韦的观点中,物理实在是由连续的场来表示的,不能对它作机械论的解释。实在概念这一变革,是物理学自牛顿以来的一次最深刻和最富有成效的变革。爱因斯坦还评述道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来,物理学的公理基础一一换句话说,就是我们关于实在的结构的概念——的最伟大的变革,是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作而引起的。”量子论的创立者普朗克指出：“麦克斯韦的名字将永远镑刻在经典物理学家的门扉上,永放光芒。从出生地来说,他属于爱丁堡;从个性来说,他属于剑桥大学;从功绩来说,他属于全世界。”

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