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数学家传记

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦James Clerk Maxwell

出生
1831年6月13日 苏格兰爱丁堡
逝世
1879年11月5日 英格兰剑桥

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是一位苏格兰数学家,在电学、磁学、光学和气体动理论方面做出了革命性工作。

完整传记

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦出生于爱丁堡印度街14号,这是一栋他父母在19世纪20年代建造的房子。

你可以在探访詹姆斯·克拉克·麦克斯韦故居上看到更多关于这座房子的信息。

不久之后,他家搬到了柯库布里郡格伦莱尔的家,那里距离邓弗里斯约20公里。他在那里享受了乡村的成长环境,他的天生好奇心在幼年就显露出来。在1834年4月25日写的一封信中,当“这个男孩”还不到三岁时,他被描述如下,见[3]:-

他是个非常快乐的孩子,自从天气变得温和以来进步很大;他对门、锁、钥匙等东西很感兴趣,“给我看看它是怎么做的”这句话从不离口。他还探究溪流和门铃线的隐蔽走向,水如何从池塘穿过墙壁、通过一个拱道或小桥,再沿着排水沟流下……

麦克斯韦八岁时母亲去世。他父母计划让他在家接受教育直到13岁,然后他就能去爱丁堡大学,但这个计划落空了。他们雇了一个16岁的男孩做家庭教师,但这一安排并不成功,于是决定让麦克斯韦去爱丁堡公学。

麦克斯韦与家人于1841年11月18日抵达赫里奥特街31号,即他父亲的姐妹伊莎贝拉约瑟夫·韦德伯恩的家。他进入爱丁堡学院就读,在那里得到了“傻瓜”的绰号。彼得·格思里·泰特虽然年龄几乎相同,却比麦克斯韦低一个年级。彼得·格思里·泰特后来成为他亲密的校友和终身朋友,他这样描述麦克斯韦的学校时光[42]:-

在学校里,他起初被认为害羞且相当迟钝。他没有结交朋友,偶尔的假期都用来阅读古老的歌谣、绘制奇特的图表和制作粗糙的机械模型。这种专注投入,对他的同学们来说完全无法理解,因为他们当时对数学一无所知,这为他赢得了一个不太光彩的绰号。然而,大约在学业中期,他突然成为同学中最杰出的人之一,令同伴们大为惊讶,在奖学金、数学和英语诗歌方面屡获奖项,有时甚至获得最高奖。

1846年初,14岁的麦克斯韦写了一篇关于卵形线的论文。在这项工作中,他推广了椭圆的定义,通过定义一点的轨迹,其中mm乘以到一个固定点的距离加上nn乘以到第二个固定点的距离之和为常数。如果m=n=1m = n = 1,则该曲线为椭圆。麦克斯韦还定义了具有两个以上焦点的曲线。这成为他的第一篇论文On the description of oval curves, and those having a plurality of foci,于1846年4月6日在爱丁堡皇家学会上宣读。这些想法并非完全新颖,因为勒内·笛卡儿此前已定义过此类曲线,但这项工作对于一个14岁的孩子来说非常出色。

麦克斯韦不是爱丁堡学院的dux,这个荣誉归于刘易斯·坎贝尔,他后来成为圣安德鲁斯大学的希腊语教授。刘易斯·坎贝尔是麦克斯韦的亲密朋友,他写了传记[3]及其第二版[4]。这些传记充满了个人回忆,读起来引人入胜。

1847年11月,16岁的麦克斯韦进入菲利普·凯兰教授的第二数学班、福布斯教授的自然哲学(物理)班以及威廉·哈密顿从男爵教授的邏輯班。彼得·格思里·泰特同样在爱丁堡大学,后来在Proceedings of the Royal Society of Edinburgh(1879-80)中写道[6]:-

1847年冬天,我们一同出现在福布斯和菲利普·凯兰的课堂上,他在那里表现极为突出。在前者的课上,他特别受宠,获准自由使用课堂设备进行原创实验。……在此期间,他写了两篇有价值的论文,发表在我们的《学报》上,分别是《滚动曲线理论》和《弹性固体的平衡》。

爱丁堡大学至今仍保存着麦克斯韦在本科期间借回家阅读的书籍记录。这些包括

奥古斯丁·路易·柯西Calcul Différentiel
约瑟夫·傅里叶Théorie de la Chaleur
加斯帕尔·蒙日Géometrie Descriptive
艾萨克·牛顿Optics
西莫恩·德尼·泊松Mechanics
布鲁克·泰勒Scientific Memoirs
Willis,Principles of Mechanism

麦克斯韦于1850年10月进入剑桥大学彼得学院,但后来转到三一学院,因为他认为在那里更容易获得奖学金。我们再次引用彼得·格思里·泰特Proceedings of the Royal Society of Edinburgh(1879-80)中的文章:-

……他在1850年秋天来到剑桥时,已经掌握了大量知识,对于一个如此年轻的人来说,这确实非常惊人,但其杂乱无章的状态令他那有条不紊的私人导师感到震惊。尽管导师是威廉·霍普金斯,但学生在很大程度上自行其是,可以毫不夸张地说,近年来没有哪位高水平的数学荣誉学位考试一等及格者(Wrangler)在进入参议院时,比麦克斯韦更缺乏训练以产出“有回报的”工作。但凭借纯粹的智力,尽管在考试条件下如何有效运用知识方面所知甚少,他还是获得了第二名优等生(Second Wrangler)的位置,并在史密斯奖(Smith's Prizes)这一更高难度的考验中与第一名优等生(Senior Wrangler)并列。

Thomson [42]描述了麦克斯韦的本科时代:-

……学者们在一张桌子上共同用餐。这使麦克斯韦每天都能接触到学院中最具才智的一群人,其中许多人在后来的生活中取得了卓越成就。尽管他害羞且有些古怪,这些人还是认可了他非凡的能力。……麦克斯韦给所有遇到他的人留下的力量印象是显著的;这往往更多归因于他的个性而非他所说的话,因为许多人发现很难跟上他快速从一个话题切换到另一个话题,他活跃的想象力同时启动了许多线索,以至于在追完一个之前就已经转向了另一个。

麦克斯韦于1854年获得了奖学金,并从三一学院毕业,获得数学学位。那一年的第一名优等生是爱德华·约翰·劳思,他不仅是一位优秀的数学家,还是一位精通当时剑桥荣誉学位考试(Tripos)所需应试方法的天才。麦克斯韦留在剑桥招收学生,随后由三一学院授予奖学金以继续工作。

麦克斯韦最重要的成就之一是他对麦可·法拉第的电力和磁力线理论的扩展和数学表述。他的论文On Faraday's lines of force于1855年和1856年分两部分在剑桥哲学学会上宣读。麦克斯韦表明,几个相对简单的数学方程可以表达电场和磁场的行为及其相互关系。

然而,在1856年初,麦克斯韦的父亲生病了,麦克斯韦希望能有更多时间陪伴他。因此,他试图在苏格兰获得一个职位,当Forbes告诉他阿伯丁的马里沙尔学院自然哲学教授职位空缺时,他申请了该职位。麦克斯韦于1856年复活节假期前往爱丁堡与父亲团聚,两人一起去了Glenlair。4月3日,他的父亲去世,不久之后,麦克斯韦按计划返回了剑桥。在4月底之前,他得知自己已被任命为马里沙尔学院的讲席教授。

1856年11月,麦克斯韦在阿伯丁接受了任命。当剑桥大学圣弗瑞兹·约翰学院宣布1857年约翰·柯西·亚当斯奖的题目为The Motion of Saturn's Rings时,麦克斯韦立即产生了兴趣。麦克斯韦和彼得·格思里·泰特在1847年还是爱丁堡学院的学生时就思考过土星环的问题。麦克斯韦决定角逐该奖,他在阿伯丁头两年的研究就围绕这个课题展开。他证明,只有当环由大量微小固体颗粒组成时才能实现稳定,这一解释现已被旅行者号航天器证实。1857年8月28日,麦克斯韦在格伦莱尔时写给刘易斯·坎贝尔的信中写道:-

我已在固体环上造成了几个缺口,现在正一头扎进流体环中,伴随着一场真正令人震惊的符号碰撞。等我重新出现时,将会是在暗环中,那有点像从一片炮林中发起的塞瓦斯托波尔围城战,炮林一个方向延伸100英里,另一个方向延伸30,000英里,炮弹永不停歇,而是绕着一个半径170,000英里的圆圈旋转飞去……

麦克斯韦的论文为他赢得了约翰·柯西·亚当斯奖,乔治·比德尔·艾里写道:-

这是我所见过的最非凡的数学应用于物理学的例子之一。

1858年2月,麦克斯韦与凯瑟琳·玛丽·杜瓦订婚,并于1859年6月结婚。尽管他此时已娶了马歇尔学院院长的女儿,但在1860年马歇尔学院与国王学院合并时,麦克斯韦作为系里资历较浅者,不得不另谋职位。然而,他的科学工作一直进展得非常成功。乔治·加布里埃尔·斯托克斯曾在1857年11月7日写信给他:-

我刚收到你关于动力学陀螺等的论文,以及关于颜色感知实验的报告。后者在发表时我错过了,刚刚怀着极大的兴趣读完。这些结果为三原色感知理论提供了最非凡、最重要的证据,据我所知,这一理论是你,而且只有你,建立在精确的数值基础之上。

1859年,爱丁堡大学自然哲学讲席空缺,福布斯已转赴圣安德鲁斯,命运似乎对麦克斯韦微笑,要将他带回故乡。他在1859年11月30日写信请麦可·法拉第为他作推荐人。麦克斯韦的许多朋友也申请了这一职位,包括彼得·格思里·泰特爱德华·约翰·劳思。尽管麦克斯韦科学成就卓著,却败给了彼得·格思里·泰特。爱丁堡报纸Courant报道这一结果时指出:

麦克斯韦已被公认为科学界所知最杰出的人物之一。

他未被任命的原因,必定就是该报所写的:

……在我们这样的大学里,教授还应具备另一种品质,那就是在假定学生知识不完善、甚至完全无知的前提下进行口头讲解的能力。

说他不是教资质不佳学生的最佳人选,这或许不无道理,但他讲课差则肯定不是事实。乔治·加布里埃尔·斯托克斯在1854年写道,他:

……曾有一次在场,当时[麦克斯韦]向剑桥哲学学会报告他的几何研究,那次我对他异常清晰的阐述方式印象深刻。

再次,威廉敏娜·弗莱明曾听过麦克斯韦的讲座,表达了类似的想法[22]:-

简而言之,麦克斯韦学识过于渊博,独创性过强,难以在基础教学中发挥最佳水平。然而,对于那些能跟上他的人来说,他的教学是一种享受。

1860年,麦克斯韦被任命为伦敦国王学院自然哲学讲席的 vacant 职位。麦克斯韦在这个职位上度过的六年是他进行最重要实验工作的时期。这个职位的职责比阿伯丁的更为繁重。坎贝尔在[3]中写道:-

一年中有九个月的授课,晚上为工匠等开设的讲座也被视为教授职责的一部分。

在伦敦,大约1862年,麦克斯韦计算出电磁场的传播速度大约等于光速。他因此提出光现象是一种电磁现象。麦克斯韦写下了真正非凡的话:-

我们几乎无法避免这样的结论:光是由同一种介质的横向波动构成的,而这种介质是电和磁现象的原因。

麦克斯韦还继续了他在阿伯丁开始的工作,研究气体动理论。1866年,他通过对气体进行统计处理,独立于Ludwig 路德维希·玻尔兹曼,提出了麦克斯韦-路德维希·玻尔兹曼气体动理论。这一理论表明,温度和热量只涉及分子运动。

这一理论意味着从确定性概念——热量被视为从热流向冷——转变为统计概念:高温分子只有高概率向低温分子运动。麦克斯韦的方法并未拒绝早期的热力学研究,而是使用更好的基础理论来解释观察和实验。

麦克斯韦于1865年春天离开伦敦国王学院,回到他在苏格兰的庄园格伦莱尔。他定期前往剑桥,并于1871年颇为勉强地接受了剑桥的聘请,成为首位卡文迪什物理学讲席教授。他设计了卡文迪什实验室并协助建立。该实验室于1874年6月16日正式启用。

这四个偏微分方程,即今所称的麦克斯韦方程组,首次以完整发展的形式出现在Electricity and Magnetism(1873年)中。这项工作的大部分是麦克斯韦在格伦莱尔、于其担任伦敦职位之后与就任卡文迪什讲席之前的那段时期完成的。它们是19世纪数学的伟大成就之一。

1874年至1879年间,占据麦克斯韦大部分时间的一项任务,是他编辑Henry Cavendish论文的工作。Cavendish,见[14]:-

……只发表了两篇论文[并]留下了二十包关于数学电学和实验电学的手稿。……麦克斯韦以极大的热情投入这项工作:他让自己的头脑充分吸收Cavendish时期的科学文献;他重复了Cavendish的许多实验,并亲手抄写了手稿。……题为‘The Electrical Researches of the Honourable Henry Cavendish’的卷册于1879年出版,作为电学史中的一章,无与伦比。

弗莱明听了麦克斯韦在剑桥的最后一门课程。他写道[22]:-

在1879年5月的最后一个学期,麦克斯韦的健康显然开始衰退,但他仍继续讲课直到学期结束。……哪怕只是短暂地亲身结识麦克斯韦教授,并享有聆听他口头讲授的殊荣,这本身就是一种自由教育,不仅如此,它还是一种启迪,因为他所说的或所做的每一件事,都带有天才的明确印记,这不仅令人极为钦佩,也令人极为敬仰。

麦克斯韦和同样生病的妻子回到Glenlair度夏。他的健康继续恶化,尽管他仍然非常愉快,却忍受了许多痛苦。1879年10月8日,他和妻子回到剑桥,但此时他几乎无法行走。这位世界所知的伟大科学家之一于11月5日去世。他的医生Paget医生说:-

没有人比他更自觉地、更平静地面对死亡。

参考文献

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