书城传记破解电磁场奥秘的天才:麦克斯韦
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第24章 “人是幸福的,因为人参与无限”(2)

在他的一生中,国王学院的研究成果是最辉煌的。除了电、磁、光统一的伟大发现之外,他还从理论到实验探讨了气体的粘滞性,继续了他对颜色理论的研究…做出了第一张彩色照片。在此期间,他的授课任务也很繁重。他在星期二、星期三、星期四既要给一年级学生上课,还要给二、三年级的学生上课。每周三晚上要给这些学生辅导功课与答疑。备课也花费了他许多精力与时间。

由麦克斯韦设计的教学大纲表明,他除了讲自己的专业之外,还要把自己的教育思想付诸实践。在他的就职讲演中,他批评了荣誉学位考试式的教学方法。他说:“我希望你们不要只死记结果,适用于特殊例子的公式,你们要好好研究这些公式与原则赖以成立的条件,没有事实作根据,公式只不过是精神垃圾。我了解人的精神倾向是活动胜于思考,但精神上的劳作并不是思想,只有那些付出了巨大劳动的人们,才会获得运用的习惯。发现理解一个原则要比写出一个公式难得多。”

从这段话可以清楚地看到麦克斯韦的教育思想:反对不理解地死记硬背公式、概念,要弄清公式的含义及与实际的关系,即成立的条件。他特别强调了要多思,这是理解和运用的先决条件。

麦克斯韦的目的并不只是要提高人的数学能力,而是让学生真正地去理解大自然。

“数学包括计算和用符号表达的转换,这才是物理学最重要最核心的问题。但是,在实在中,这又是纯数学。与根本问题联系在一起的任何事物在作数学运算过程中,都必须除掉。数学家们可以怀疑他们得到的结果是否适用于立体几何学、流体静力学或电学。但是,正如我们现在所研究的自然哲学一样,必然赋予我们的运算以某种形式,对其每一步骤必须能够作出物理学的解释。在这里,我们的运算能力比纯粹的计算原则的运用和对结果的解释更有用处。”

麦克斯韦强调两点,第一点是强调物理学的基本原则,第二点是强调科学发现的方法(常常是他自己的方法)。他把这两点引入了自己的教学工作实践中。对此,约翰·兰德尔爵士(Sirlohn Randall)在1962年评论道:“这是极好的教学方法。”麦克斯韦还想通过增加学生实验课的方法来提高学生们对物理学实践方面重要性的理解。

在考试中,麦克斯韦力图使问题变得更有趣,更具挑战性。

他的方法是把物理原理具体化,他想让学生用日常的经验来理解物理学原则,比如,使用一般的不准确的仪器,去测量真实的温度。

除授课之外,麦克斯韦还要参加不列颠联合委员会的电学研究工作。在相当长的时间内,人们没有认识到静电与电流之间的关系。麦克斯韦的综合,产生了一个完整的电磁学理论。这个委员会在电学研究上是有权威的。很可能,其成果是以麦克斯韦的理论为根据的,有些文件可能是麦克斯韦起草的。这些文件形成了高斯系统电学方面的基础。

这个委员会在1881年巴黎的电学大会上的头一件事是提出一个标准的电阻单位。为了做到这一点,他们采纳了威廉姆·汤姆逊的方法。麦克斯韦在国王学院做过这个实验。这个实验做了两年才完成。他的工作如此繁重,以至学院又任命了一个人教授自然哲学,以减轻他工作的压力。这个工作完成之后,接着是考虑电磁与静电之间的比例关系。因为麦克斯韦曾预言电磁波的运动速度与这个比例等同,所以把这个比例与光速对比就成了必须要做的工作了。麦克斯韦和查理·霍金(Charles Hockin)(剑桥圣约翰学院的同学)一起做了这个划时代的实验。这个实验在约翰·彼德·加斯奥特(John Peter Gassiot)的私人实验室进行。

结果测得的数据是每秒288 000公里,这虽然不太准确,但已经很接近光速了。

国王学院建于1828年。从一开始,这个学院就对当时具有革命性的课题,比如化学、植物学、经济学、地理学和实验哲学(物理学)十分重视,并在学生中开设了这些课程。同时还设了法律、医学等实用学科。

19世纪下半叶英国发生了教育革命。这时,伦敦大学和德翰姆大学成立,力学学院在全国各地都建立起来,其目的是为了培养工艺工人、工匠,以适应社会工业革命的需要,麦克斯韦牺牲了晚上的宝贵时间去工人学院上课。

工业革命以来,英国的工业得到了迅速发展,为了获得更大的利润,提高工人的科学文化水平就显得日益重要了。政府企业和大学都给普通工人定期讲课。工业革命好像一种加速运动。比如,约瑟夫·布莱克从理论上发现了潜热,接着是瓦特把它运用到实践中导致了巨大的商业利益。科学与技术之间的关系并不明朗。不过,自从英国的工业成功地利用这些发明之后,英国工业和教育方面的自由组织得到了发展,大英帝国在海外的扩张促进了这一趋势的进程。在与法国的海战中,虽然当时法国海军(拿破仑的海军)在技术上优于英国,他们的军舰更为先进,法国的军官与士兵面对凶猛的炮火也很顽强。

但出乎人们的意料,英国海军在纳尔逊指挥下胜利了!于是大英帝国成了世界上头等强国,这表明英国有最好的工业与教育制度。

欧洲国家看到了英国工业的优势,从而得出正确的结论。

于是,拿破仑开始在法国建立大学,以培养技工与管理人员。由于海战的失利,法兰西丧失了大帝国的地位,这就意味着它不能像过去那样从海外获得大量便宜的物品,失去了大量的市场和地盘,这是法兰西的惨重损失。

在普鲁士,人们也深切感到了技术教育的迫切性。威廉姆·冯·哈姆波尔特(William Von Humboldt)在1809年被任命为教育大臣。在建立柏林大学的同时,又建立了一些技术学院,其目的是造就工业方面的科学家和工程师。普鲁士的学校制度让位于裴斯泰洛齐(Pestalozzi 1746~1827,瑞士教育家,认为教育的目的在于全面和谐地发展人的天赋才能)的教育制度,更为传统的教育方法再次盛行起来了。大英帝国看到了欧洲大陆国家教育的发展与成功。查理·巴贝奇大声疾呼,英国必须清醒。巴贝奇是计算学之父,他设计并制造出一个力学的计算器,其先进性远远超出那个时代,被称之为“分析的引擎”。他还是卢卡斯讲席的数学教授。他与他的追随者们推进了剑桥大学的数学教育改革。在他那个时代,英国的数学仍采用牛顿的流数法,而不用莱布尼兹的微分法,这就落后了。而大陆的数学远比英国的数学精密、成熟和易于掌握。巴贝奇和约翰·赫谢尔(John Helschel,1812年剑桥荣誉学位考试第一名)及乔治·皮科克(剑桥大学学位荣誉考试的亚军)一起造了反,把剑桥大学拉出了小数点时代,而使剑桥真正进入了大陆微分时代。

接着,巴贝奇又转向皇家学会(其最初的目的是把哲学变成一种日常生活的艺术。他们研究城市的建筑规划,改革丝绸工业和钢铁工业)。当时,巴贝奇面对的形势十分严峻,老的皇家学会的成员(科学家)渐渐退休,贵族们把持了大权,吸收科学家人会并非易事。因此要改造这个学会,首先需要有一位有改革精神的主席。巴贝奇推荐自己的朋友约翰·赫谢尔担任学会主席,但没有成功,后来苏塞克斯公爵(Suke of Sussex)入主学会,学会走上了改革之路。

欧洲大陆国家不同学科的科学家们开始在一起讨论一些具体的课题以及一般化的或有政治重要性的课题。巴贝奇出席了一次这样的会议,使他十分震动,他对大陆科学技术的发展有了十分深刻的印象。回到英国之后,他开始批评皇家学会以及英国科学在各方面落后的情况。是他发起了这场革命,一些钻在象牙之塔里搞纯科学研究的人们开始走进实用学科。为工业与技术的发展开始了实用方面的研究。实用的、大众化的科研活动开展起来了。1859年,在一次会议上,麦克斯韦宣读了他关于气体理论的具有划时代意义的论文,提出了“气体中分子速度分布的数学公式”。也正是在这个时候,查理·莱尔(CharIes Lyell)就任英国协会主席,他在就职演说中有这么一段话:

“经过在动物学、植物学和地质学中二十多年的观察和实验,我们不得不得出这样的结论:在动物与植物中,是大自然的力量产生了这么多的物种及变化。”

这一段话公开告诉世人,关于达尔文物种起源的理论已被认可,关于进化论的争论已近尾声。英国协会而非皇家学会,建立起了关于电的测量的标准化。但对比之下,英国的大学与学院改革的步子不快。

在19世纪中叶,世界上第一流的科学家仍在英国进行探索。问题在于如何把他们的研究成果应用到工业与技术中去。

赫胥黎说,“英国科学的特点类似在军队里没有士兵,都是军官”。英国的工业没有正确评价世界上已发生的变化,需要造就大批懂技术的人从事技术工作,需要大批像瓦特那样的人,把科学技术变成金钱与财富,但在这方面还存在大量的困难与障碍。

最后,这被归结为教育问题。除非让人们认识到技术的重要性,反复向工业家和企业家灌输科学技术是生产力的思想,否则事情是得不到解决的。在19世纪中叶,伊顿公学有24个经典课教师、8个数学家,另外还有3个老师教别的课。列昂·普雷弗尔(Lvon Plavfair)是国立矿业学院的化学教授,1851年,他说:“太阳落山之后,紧接着就是黑暗。同样道理,除非英国人比现在更熟习科学技术,否则作为工业国家的英国,将退出历史舞台。”

1851年举行的大博览会,使英国人大吃一惊,他们开始认识到,欧洲大陆虽然被革命和战争破坏得不成样子,但它工业发展之快,远远超过了英国。比如,染色工业,本来,这个工业最初(1856)是英国人W.H.珀金发明的,他个人因这个发明也发了大财。但从整体上看,今天英国的染料工业落后了,德国的制造商们认识到这方面发展的巨大潜力,开始投入大量金钱和人力开发染料工业。到第一次世界大战时,英国军人的服装染色则从德国买进染料了!

在电的研究与技术方面,虽然法拉第是英国人,麦克斯韦是英国人,特别是汤姆逊在无线电方面的巨大贡献,但在英国,真正的电力工业根本没有建立起来。一直到19世纪末,英国才建立了小规模电工业物理实验室。