麦克斯韦是最伟大的科学家（例数那些不专一）
麦克斯韦是最伟大的科学家（例数那些不专一）能不能清晰的描述麦克斯韦方程组的几个公式，差不多成了考验一名物理研究者基本功是否合格的一个标准问题。笔者还清晰记得我在考研复试的时候，被老师问到的第一个问题就是请写下麦克斯韦方程组，我多嘴问了一句“写积分形式还是微分形式？”，然后我就乖乖的写了8个方程…… 所以你看，不只是物理工作者，只要是研究工作和电磁相关，麦克斯韦方程组就是你挥之不去的“阴影” ：）没错，这就是麦克斯韦方程组，概括来说，这四个方程分别描述了电场、磁场的性质，电生磁和磁生电的规律。而它又有积分和微分两种表达形式，前者可以用来描述一部分空间中的电磁场，后者则可以用来描述空间一个点的电磁场性质，因此可以说：“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释。”如果你了解科学史，那你肯定看到过这个说法：“如果说要评选人类文明以来最伟大的公式，那么麦克斯韦方程组可以说是毫无疑问的第一，麦克斯韦的公式融合了高斯定理、高斯磁定律、法
上一期说完了科学超人牛顿老爵爷，这位逢山开路、遇水架桥的科学通才，不仅在物理学多个领域均有建树，即便是在数学工具不够用的时候，还能自己动手先发明个微积分出来！今天咱们再来看另一位物理学界的大拿级人物，巧了，他也是一位英国人，也埋在威斯敏斯特大教堂……
上篇文章在此：聊聊科学家中那些“不专一”的通才：牛顿
每次看麦克斯韦这张照片，我总觉得从额头大小能看出一个人聪不聪明这个荒诞的说法，还真是有点道理的。你看他那饱满的额头，一看就不好惹，因为咱一般人就算撞到头，也不会肿得这么高吧……
今天的主角还真是智力早熟的典范，1846年，15岁的他就向爱丁堡皇家学院递交了一份科研论文。来年16岁中学毕业，进入爱丁堡大学学习。这里是苏格兰的最高学府。他是班上年纪最小的学生，但考试成绩却总是名列前茅。他在这里专攻数学物理，并且显示出非凡的才华。他不仅读书出色，在学习之余他竟然还能写诗…… 当然，这都不重要，我们今天关注的是他对科学的贡献，看看他到底有多“杂”
怎么吹也不为过的贡献：电磁学如果你了解科学史，那你肯定看到过这个说法：“如果说要评选人类文明以来最伟大的公式，那么麦克斯韦方程组可以说是毫无疑问的第一，麦克斯韦的公式融合了高斯定理、高斯磁定律、法拉第电磁感应定律和安培定律，这个方程组是人类历史上空前的物理学大一统”。
麦克斯韦和麦克斯韦方程组的微分形式
没错，这就是麦克斯韦方程组，概括来说，这四个方程分别描述了电场、磁场的性质，电生磁和磁生电的规律。而它又有积分和微分两种表达形式，前者可以用来描述一部分空间中的电磁场，后者则可以用来描述空间一个点的电磁场性质，因此可以说：“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释。”
能不能清晰的描述麦克斯韦方程组的几个公式，差不多成了考验一名物理研究者基本功是否合格的一个标准问题。笔者还清晰记得我在考研复试的时候，被老师问到的第一个问题就是请写下麦克斯韦方程组，我多嘴问了一句“写积分形式还是微分形式？”，然后我就乖乖的写了8个方程…… 所以你看，不只是物理工作者，只要是研究工作和电磁相关，麦克斯韦方程组就是你挥之不去的“阴影” ：）
其实，麦克斯韦在总结出电磁场方程组的这个工作中，更像一位玩拼图的高手，只不过他面对这个图案，就是终极的电磁规律！而且可是没有参考图哦！他所面对的，就是物理学前辈们交到他手中的一些碎片图案，不仅零散，有些还模糊不清，需要他自己来绘制！麦克斯韦就是凭借极为出色的数学功底和物理直觉，把当时这些分散的关于电和磁的知识汇总、整理并用数学精确的表达出来，从而绘制了一副近乎完美的电磁画卷，开辟了我们人类今天赖以生存的电学时代！
他还从自己的理论中，计算出了电磁波传播的速度，也就是我们熟知的30万千米/小时！然后借助与当时已经测量得很精确的光速值对比之后，他大胆推测：光就是一种电磁波！那么光速有多重要，不用我说了吧，那是爱因斯坦突破牛顿绝对时空观的一把利剑，而麦克斯韦对光速的计算和光的电磁波本质的预言，或多或少的都佐证了爱因斯坦的光速不变假设，至于这是不是麦克斯韦歪打正着，我就不多评判了，留给大家讨论吧。
其实这个大胆也并不是很大胆，因为他这个计算结果与实验值的吻合度相当之高！以至于几乎无法怀疑这两个速度的相同是一个巧合。
关于他最大的贡献，咱们就写到这，接下来看看他在其它领域还做了什么了不起的事。
统计物理的先驱如果你看过我前段时间写的那篇：熵是什么？它有多重要？从热力学到统计物理到生命起源的胡思乱想，里面就提到了统计物理学，虽然这门学科的主要创立者是玻尔兹曼，但我当时在文章就提到，玻尔兹曼最初正是看到了麦克斯韦的一篇讨论分子速度分布规律的文章，受到了极大的启发，并且玻尔兹曼对麦克斯韦文章中的思想和优美的数学赞不绝口！玻尔兹曼更加深入研究了这个规律，把麦克斯韦分布推广到了有外立场存在的情况中，因此后人并称为：麦克斯韦-玻尔兹曼分布！这个定律给出了在一定温度下以一定速度运动的气体分子的在整体中所占比例，从而进一步得出气体的温度与构成它的分子运动情况有关。
麦克斯韦-玻尔兹曼分布曲线
麦克斯韦是第一个尝试定量的用微观粒子的运动去解释宏观热现象的物理学家，所以，把他作为统计力学的先驱人物，没毛病。
而在对于热力学的研究过程中，麦克斯韦又进行了质疑热力学第二定律的一个思想实验。他设想如果一个热力学系统内部存在这样一个机制：其可以辨识分子运动速度，并令运动速度在不同区间上的分子向系统不同部分集中（这个机制被称为麦克斯韦妖，物理学四大神兽之一）；那么一个孤立系统的熵可能会因为这一机制的存在而减少，而这与热力学第二定律相违。
当然，这个思想实验已经被认为是不可能的了，因为他忽略了信息这个能带来负熵的东西，感兴趣的人可以搜索“麦克斯韦妖”。
控制理论的破局者这本是麦克斯韦在1868年时所做的一个小思考，没成想却成了照亮控制理论黑夜的第一抹曙光！之所以说是黑夜，是因为这个需要指导自动控系统发展的理论，距离公认的第一个自动控制系统，迟到了80年！
工作中的瓦特
我曾经写过一篇介绍自动控制理论发展的文章：搞技术的为什么也要懂科学？还是让瓦特告诉你吧，其中就提到了这个所有学过自动控制理论的人都耳熟能详的故事。1788年，还在第一次工业革命期间，詹姆斯·瓦特为了改进他的蒸汽机的调速系统，发明了一个飞球调速器来控制蒸汽机的转速在一定范围内。
但是这个精巧的装置却备受运行不稳定的困扰，控制效果在不同设备之间的效果差别很大，设计飞球调节装置也并没有一套指导理论，几乎都是靠各位能工巧匠凭借经验和大量的试错来改进装置，但是仍然无法解决控制效果不稳定的问题。
直到麦克斯韦发表了他的《论调节器》这篇论文，他指出，不能单从调节器本身来研究稳定性问题，而应该对整个系统建立微分方程来描述运动。他第一次从数学上来描述控制问题，并从微分方程解的角度，给出了系统稳定性的分析结果！而这正是控制系统时域分析方法的关键之处！
麦克斯韦《论调节器》一文扫描版
大师就是不一样，一出手就揭示出问题的实质，这篇文章中闪烁的思想，犹如一盏明灯照亮了在黑暗中摸索了近百年的控制系统设计者，自此人们才真正意识到数学在控制系统设计与分析中的关键作用！
土星环成分的预言者1865到1866年间，他专注于解决一个当时已经困扰科学家两百余年的问题：土星环的性质。为什么它能保持稳定而未裂解；并且能在土星周围，既未飘远，又未撞向土星。
麦克斯韦花了两年时间来研究这一问题。他证明了如果土星环是固体的话，那么它不会稳定；而如果是气体的话，它也会因为波的作用而裂解。因而，他推测土星环应该是由有环绕土星运动轨道的大量的小颗粒构成的。1859年，他因论文《论土星环运动的稳定性》（On the stability of the motion of Saturn's rings）而获得亚当奖，这是专门为解决这个问题的人设立的一个奖项。而他的理论预测最终在20世纪80年代旅行者计划中对于土星的观测时被验证。
色彩理论的奠基人没想到吧，他还是一位摄影高手！当然可不像陈老师，麦克斯韦是纯技术流！不夸张的说，他为彩色摄影奠定了基础。
在他1855年的一篇有关颜色感知的论文中，麦克斯韦提出如果透过红、绿、蓝三色滤光器分别拍摄同一景象，而后将影像分别通过三种颜色的滤镜投射到屏上，这样叠加可以完全还原原始的彩色影像。这是啥，这不就是咱每天都在用的RGB色彩空间理论呀！
当然现在我们说的一般是32位色，其实就是在RGB三通道的基础上又加了一个Alpha通道，每通道8bit，一共32bit，基础还是三原色的颜色叠加理论。
1861年，在皇家研究所做的有关色彩理论的讲座中，麦克斯韦还展示了经由三色叠加原理所拍摄的世界上第一张彩色照片。
1861年，由麦克斯韦拍摄的第一张耐久彩色照片（来自维基百科）
结语和预告麦克斯韦我写了三千多字，因为他有太多值得讲述的贡献了。在物理学的世界中如入无人之境，横冲直撞却又能左右逢源，在他短短48年的生命中，对人类科学的那么多方面都做了开创性和突破性的贡献。每每想到这里，真是自惭形秽呀，虽然饭量不大，但和人家相比，也是白吃了这么多年饭…… 但又没有勇气去死，所以只能尽自己微薄之力，写出来让更多身边潜在的天才看到，因为你看到天花板，才会想冲破天花板。
下一期，咱们聊个稍微离得近一点的人物，冯诺依曼，现代计算机的奠基人，看看他是怎么玩转科学的。但是可能春节期间更新不够及时，还请我为数不多的读者们见谅：）
