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本文參加#科普新星培訓營#，內容為作者原創。 愛因斯坦曾經說過:「我不是站在牛頓的肩膀上，而是站在詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的肩膀上。」 千禧年時，在很多國家做過一個調查，讓民眾對百位物理學家排名，第一名是愛因斯坦，第二名是牛頓，麥克斯韋位居第三。伽利略，第六位。費曼，第七名。 ...麥克斯韋雕像 為什麼麥克斯韋如此重要? 可以說，我們使用的每一臺電子設備，都建立在麥克斯韋在19世紀60年代論文所闡述的原則上。 在他之前，人們一直在與機械世界打交道。麥克斯韋在機械模型和我們今天使用的模型之間架起了橋樑。 朗艾爾等很多當代物理學家說，麥克斯韋在色彩理論、熱力學、物理學和數學等方面為現代社會奠定了基礎，他也被稱為「現代物理之父」。 那麼，為什麼麥克斯韋在很大程度上被遺忘了呢？ 大部分物理學家認為，真正的原因是——外行人很難理解他的貢獻。 ...麥克斯韋《論物理力線》 生平 詹姆斯·克拉克·（James Clerk Maxwell ），在1831年6月13日，出生於蘇格蘭愛丁堡一個非常富有的家庭。 ...麥克斯韋 據說，他記憶力驚人，在8歲時，就能夠背誦很多彌爾頓的作品和聖經中最長的詩篇。也在這一年，他母親去世。父親開始引導他對於科學的熱愛。 14歲時，麥克斯韋爾發表了他的第一篇科學論文——怎樣通過簡單的步驟生成複雜的幾何圖形。因為愛丁堡皇家學會不接受未成年人的投稿，所以這篇論文被朗讀給了學會裡的人。 後來，他去劍橋上大學，並獲得了史密斯獎（該獎授予在一系列數學和物理考試中表現最好的學生）。他23歲時成為三一學院的一員。 除了對於物理和數學的熱愛，麥克斯韋還是一個蘇格蘭詩歌愛好者。他曾根據羅伯特·彭斯的《穿越麥田》改編了一首詩歌《剛體》（Rigid Body Sings），邊彈吉他邊唱。在他去世後，他的朋友劉易斯·坎貝爾出版了他的詩集。 1879年11月5日，年僅48歲的麥克斯韋死於腹部癌癥，英年早逝。他的母親之前也是在同樣的年紀因為同樣的癌癥死亡。 ...麥克斯韋給朋友彼得·泰特（物理學家）的明星片 麥克斯韋電磁學理論 愛因斯坦將麥克斯韋的電磁輻射理論描述為「自牛頓時代以來最深刻、最富有成果的理論」。 麥克斯韋方程組準確而完整地描述了電磁學。它們是經典電磁學、經典光學和電路的基礎。 麥克斯韋方程組描述了電荷和電流如何產生電場和磁場。此外，它們還描述了電場如何產生磁場以及磁場如何產生電場。麥克斯韋方程組有四個方程，分別是：高斯定律——計算電荷產生的電場；高斯磁場定律——可用來計算磁場；法拉第定律——描述了時變磁場如何產生電場；和麥克斯韋-安培定律——磁場可以通過兩種方式產生（電流和變化電場）。 在他死後十年，赫茲才最終證明了麥克斯韋電磁理論的正確性。 麥克斯韋方程有無數的應用，任何使用電流或磁鐵的設備都是建立在它們的基礎上的。 ...麥克斯韋方程 麥克斯韋推斷出穿越真空的振蕩電場和磁場波的存在。此外，1864年，麥克斯韋發表了論文《電磁場動力學理論》，提出了光傳播的電磁理論。他判斷光是電磁波，從而提出電場、磁場和光都可以用一個單一的理論來解釋。 麥克斯韋的光傳播電磁理論被認為是繼艾薩克·牛頓的第一個大統一理論之後的「物理學上的第二次大統一」。 並且，從這之後，物理學家真正掌握了場的概念，場成為了物理學的語言。場和波粒二象性息息相關，是量子力學的基礎，在這之上，才有了愛因斯坦在廣義相對論等方面的偉大發現。 解釋了土星環為何穩定 除了在電磁學方面的研究，麥克斯韋還準確地描述了土星環穩定的原因。 1610年，伽利略第一次觀察到了土星環。不過，到19世紀時，土星環如何能保持穩定不解體、而不撞向土星，還是一個天文學界的謎。 在麥克斯韋二十多歲的時候，他花了兩年時間就解決了這個困擾了科學家們200年的問題。他指出，一個規則的固體環不可能是穩定的，一個流體環會受到波的作用而分解成小團。麥克斯韋推斷出土星環之穩定的原因：它一定是由無數粒子組成的，每個 粒子都獨立地繞著土星運行。 1859年，他的論文《論土星環運動的穩定性》獲得由劍橋大學頒發的著名的亞當斯獎。 ...旅行者2號拍的土星圖像 1980年，過了一個多世紀後，麥克斯韋的預測被旅行者2號宇宙飛船傳回的圖像所證實。我們現在知道了土星環由無數小顆粒組成，它們大小從1微米到1米不等。 對色彩理論和攝影的貢獻 牛頓發現，將光譜中七種不同比例的顏色混合在一起可以產生任何一種複合顏色，奠定了顏色理論的基礎。 托馬斯·楊在牛頓的基礎上發展了三原色理論。 1849年起，麥克斯韋爾在三一學院的時候，開始認真地研究色彩理論。 在1855年到1872年之間，他發表了一系列關於顏色知覺、色盲和顏色理論的研究報告。 1855年，麥克斯韋用線性代數證明了楊的理論。他提交光學論文《顏色視覺理論》給英國皇家學會，並獲得了拉姆福德獎章。他提出，色盲是由於個體無法識別紅光，並最終證明了三原色理論——任何自然顏色都可以由紅色、綠色和藍色產生。 由此誕生了色彩匹配實驗和比色法這種技術，並被用於量化和物理描述人類的色彩感知。 ...1861年，麥克斯韋拍攝了世界上第一張彩色照片 麥克斯韋認為，如果任何三種光都能再現任何可感知的顏色，那麼用一組三色濾光片就可以製作出彩色照片。1861年，在英國皇家學會關於色彩理論的演講中，麥克斯韋展示了世界上第一個使用三色分析和合成原理的彩色攝影。他給一條花格緞帶拍了三次照片：先是紅色的濾光片，然後是綠色的濾光片，最後是藍色的濾光片。將這三幅圖像同時投射到螢幕上，出現了格子布的彩色圖像。這是世界上第一張彩色照片。 氣體動力學理論 麥克斯韋是第一個將機率論和統計學方法應用於描述分子組合特性的人。 麥克斯韋意識到，所有的氣體粒子都不會以當時假定的同樣的速度運動。這是因為它們之間的碰撞會使一些粒子加速，另一些粒子減速。麥克斯韋指出，氣體中的粒子具有一種特殊的統計分布，這就是著名的麥克斯韋-玻爾茲曼分布，以他和奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)命名，這個分布構成了氣體動力學理論的基礎。 ...麥克斯韋-玻爾茲曼分布 麥克斯韋妖和資訊理論 麥克斯韋在熱力學方面的研究使他設計了後來著名的「麥克斯韋妖」思想實驗。 在實驗中，妖精控制著兩個氣室之間的一扇小門。當單個的氣體分子靠近門時，妖精迅速地打開門並馬上關閉，這樣，快速分子進入了第二個房間，而慢分子留在了第一個房間。速度快的分子比慢的分子更熱，於是，妖精的行為導致一個腔體變熱，另一個腔體變冷，從而熵減少了，違反了熱力學第二定律。 麥克斯韋妖立刻引起了人們的興趣，到現在仍然引起物理學家的爭論，並產生了許多重要的成果，包括資訊理論的發展。信息熵定義為隨機確定的數據來源所產生的平均信息量。麥克斯韋的思想實驗提出的悖論最終導致了對信息的物理解釋的挑戰。 ...麥克斯韋妖圖示 在我看來，麥克斯韋在對描述世界運行方式的貢獻上，與牛頓和愛因斯坦不相上下，沒有麥克斯韋電磁理論，我們就不會有今天的電子工業，生活和文化都不會像今天一樣。 而如果他不因為癌癥而英年早逝，那麼，是不是量子力學能更早誕生，今天的科技會不會更加發達？ 可是沒有如果，有太多天才如麥克斯韋、高斯、圖靈、黎曼等，生命在人生最美好的年紀里畫上了句號，留下了我們後人的景仰和嘆息。 如果喜歡這篇文章，請關注劉老師，每天帶來硬核科普。
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