书城传记破解电磁场奥秘的天才:麦克斯韦
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第25章 “人是幸福的,因为人参与无限”(3)

非常有点意思的是,德国人加斯特斯·冯·里比希(Justus Von Liebig)曾在法国巴黎受教育,接受过当时最伟大的化学家们的耳提面命,回国后成了吉森大学的化学教授。在这里,他推进了实验化学,为德国培养了许多有名的化学家。正是他的学生们在德国发展了染色工业。1845年,他成了国王学院的化学教授。从宗教上看,他是一个路德派教徒,对他的任命在英国国教徒看来是不可思议的。

麦克斯韦并不关心表面上的宗教信仰,所以对当时不同派别的宗教争论,他持静观态度。他最关心的是与“大全”的神秘统一。

“随着物理学的发展,我们越来越认识到自然的法则不是任性专断的、与万能上帝的决定没有关系的。恰恰相反,万物不过是一个宇宙体系的组成部分。在这里,无限的能力表现为不可理解的智慧和永恒的真理。当我们考查科学真理时,就会发现,我们不但能说‘这如此’,而且能说这必然如此。因为若不如此,就会与真理的第一原则相矛盾!我们就应这样看,当我们谈到伟大事件时,其前提是造物主的原则,因而它们是真的、对的,这也是理性的原则。用不着奇怪,人的理性也是上帝的作品,因此,我们才可能说我理解我发现的事物。”

在麦克斯韦看来,科学只能证明造物主的全知、全能和全善:

“人是幸福的,因为人能认识他与永恒的联系。他信仰的基础是不变的,因为人参与无限。”

他在给坎贝尔的信中对不同信仰的教条即神圣的基础进行了比较:“在玩世不恭者,泛神论者,寂静派教徒,形式主义者,教条主义者,感觉主义者和其他一些人的王国中,有广泛的,重要的通道,它们是开放的和神圣的禁忌,这正如波里尼西亚人说的那样,不亵渎圣灵就没法讲出它们。基督教,是关于《圣经》的宗教,它是信仰的惟一形式,惟一的大全是开放的,自由的。”麦克斯韦把基督教信仰解释成开放的,具有现代人的气质。

麦克斯韦信仰造物主的上帝。1873年,关于分子,他说:“在天上,我们发现,星与星之间如此遥远,没有任何物质性的东西可以从这个传到那个上。光,也只有光,是这些遥远世界存在的惟一证据。这也告诉我们,它们均由相同种类的分子构成,这些物质与地球的物质没有区别,比如,氦分子,不论是天狼星的,还是大角(牧夫座α星)的分子,其振动频率是完全一样的。”

“没有一种进化的理论能解释分子的相似性,因为进化必然包含着连续的变化,分子既不能创造出来,也不能毁灭掉。大自然的任何过程对任何分子的性质都不会产生些微的影响。因此,我们不能把分子的存在或它们性质的同一归结为我们称之为的自然原因。分子与分子是完全平等的,赫谢尔爵士说得好,人造物的本质特征,不具有永恒的和自我一致的含义。”进化必然与地球上生命的发展有关,但进化与麦克斯韦感兴趣的物理学基本问题的解决无关。

当时,对进化论的激烈争论使维多利亚社会分成了两大派。许多基督徒认为,如果达尔文是对的,那么进化就是宗教的目的。麦克斯韦在这场争论中保持了冷静的态度,并没有支持任何一派。进化论必然会影响对《圣经》的文字解释,这就会使他的信仰发生问题。在关于地球年龄问题的争论中,汤姆逊的观点比较科学,但是作为一个按时进教堂的信徒来说,他又严厉批评达尔文。

麦克斯韦肯定是相信进化论观点的。1874年,他在写给坎贝尔的信中说:

“如果原子在数目上是一定的,每个原子都有一定的重量,那么,发展成人的原生芽就必然包含人的一切遗传因素。因此,人与动物不同,人与人也不同——父亲的秉性,母亲的记忆力,祖父擤鼻子的方式,生活在树上的祖先手臂上毛发的排列,或更远古的生长在海边或湖边的祖先对由月亮引起的潮汐的崇拜也都不同。弗朗西斯·加尔顿发明了确切表达‘没有结构的原芽’的方法。如果这个原芽自身包含发展成一个事物的能力,而且这种能力纯粹是自然的,说来自这个原芽组成部分的运动和变化是‘没有结构的’就是胡说了,虽然显微镜没有看出它的结构……而正是这种结构按着纯自然的法则要求泛生论(达尔文晚年提出来的,用来说明获得性状能遗传的理论)。”

麦克斯韦的这种评论十分巧妙。

在国王学院,麦克斯韦与法拉第交往密切,他经常抽时间与法拉第交谈,并去听法拉第在皇家学院星期五晚上作的演讲。

关于光的电磁理论的思想,麦克斯韦在法拉第于1846年4月10日作的一次讲演中受到启发,而法拉第是受到查理·惠特斯东的启发,他是国王学院的实验哲学教授,有名的实验者。他首先测得了电线上电流的速度是288 000英里,法拉第想,如果电磁力线能振动的话,又会怎样呢?他的结论是力线的振动是横波的。查理·惠特斯东和麦克斯韦都对电磁租光有兴趣,都是法拉第的密友。但麦克斯韦与惠特斯东之间并没更多的学术合作。麦克斯韦在伦敦期间十分艰苦,他并不喜欢伦敦,常常回忆自己的家乡。1865年,他从国王学院退休,到格仑莱尔享受大自然的美景,松弛一下十分紧张的神经。

3.退隐格仑莱尔:完善发现的理论

麦克斯韦离开国王学院至少还有另外两个理由:一是把他关于电与磁的思想系统化。后来,《电磁论》(A Treatise onElectricity and Magnetism)这本书成了他最主要的著作。这本书构思和写作了很长时间,到1873年才出版。他关于热的研究著作《热理论》也在这期间完成,1870年问世。二是他想重建格仑莱尔,这是一种封建义务和家庭传统,父亲关于重建格仑莱尔的遗嘱对他而言是神圣的,一定要完成的:“父亲想把这所房子扩大规模,使它像一个地方官员的宅邸,但他还没有完成自己的工作就去世了。我一定要完成父亲未竞的事业。”

麦克斯韦有不少资产,但要按父亲的设计去完成,还是有点力不从心。因为家里有钱,所以他才可以退休。在国王学院期间,教学和研究任务十分繁重,现在回到了家乡,他想当一个业余的科学家。他说,“现在我有了充足的时间进行物理学实验和思考,这是有公职时做不到的”。

在国王学院,他最大的负担是晚上上课,更糟的是,在冬天的晚上上课。教室里很冷。上完课后,对那些喜欢物理学和数学的有天分的学生,他还要辅导。这使他不能集中精力搞他想搞的研究工作。

现在,他把自己的时间分成两部分,一部分在家乡,一部分在伦敦,有时他还到国外去游历。1867年,坎贝尔与他在意大利相遇,坎贝尔说,他看见麦克斯韦以一个情感丰富的天才之眼凝视着圣·彼德大教堂的尖顶。麦克斯韦利用这个机会,解读意大利,提高他运用法文和德文的能力。

夏天是格仑莱尔最美好的季节。1867年,改建房子的计划终于完成了,他过起了悠闲的苏格兰地主的生活。他与科学界的主要联系通过邮件进行。他的邮件往往又大又重,以至于邮局专门为他设了一个邮筒。他要反复修改自己的论文,还要为自己的朋友修改或校对稿子,他每天都有一堆信件需要处理。

经常与他有信件来往的是斯托克斯、汤姆逊和P.G.泰特。斯托克斯是一个没有幽默感的人,麦克斯韦在剑桥上大学时就开始与他交往和通信,这种关系一直保持到1869年。在信中,麦克斯韦总是称他为“亲爱的先生”。只是在他成为剑桥大学的教授后,他才改称他为“我亲爱的斯托克斯”。斯托克斯学识渊博,麦克斯韦与他的交往得益甚多。

与汤姆逊的结识是在1850年。后来汤姆逊请麦克斯韦看一看他关于偏振光实验的研究资料。当时,汤姆逊已经是公认的第一流的物理学家了。在麦克斯韦参加过荣誉学位考试之后,开始研究电学,他向汤姆逊请教应该读些什么书。至于泰特,那是他的中学同学,当然就没有什么客套了。这三个人形成了一个通信上的三角关系,互相之间来往的信件很多,而每一个人都从别一个人的信中得到启发。每个人希望别人对自己的研究工作提出建议,有弄不通的问题,告诉别人,希望得到帮助。有时其中的一个人在早上弄不懂的问题(马上写信告诉自己的朋友),到晚上弄懂了,又写信说这问题已经解决。为了节省邮资,他们之间的通信大量用缩简语。

1877年,他们三个人的相互通信达到高峰。

三个人卓有成就的合作表现在原子涡流的研究中。泰特与汤姆逊两个人密切合作准备写一本关于物理学的书。这本书的思想建立在他们的讲义上。1867年这本书以《自然哲学》的名字出版了。出版后,泰特说,“汤姆逊坚决反对原子的存在,但我认为原子论是说明某些问题的有用的假设。”在麦克斯韦看来,泰特的这个观点是对的。

在18世纪50年代,亥尔姆霍兹也提出了一个涡流运动的理论,他是头一个解决了涡流问题的人。他说明了,在一个没有内部摩擦力的流体里,总存在涡流。这种涡流只发生在流体之内。如果空气没有黏滞性(内部摩擦力),烟圈就会永远存在了,对此,泰特印象很深,并把这篇论文翻译成英文,让他的所有朋友都认识这篇论文中所提出的革命性内容。到这时,汤姆逊开始习惯原子的思想,并从泰特那里知道了涡流,并把这两种观念放在一起考虑:如果涡流在一种理想的流体中,以片块状存在,这就可以形成一个很好的原子模型。他假定宇宙中充满了这种理想的流体,这是以太的另一种表现方式,那么维多利亚时代物理学的哲人之石——原子,就只不过是那种以太中的涡流而已了。

关于涡流的讨论持续了一段时间。虽然这种理论已经被抛弃了,但是泰特对结点(纽结)的研究,启发了麦克斯韦对拓扑学的研究——拓扑学是当代数学的基石。

经过这一段交往,他们都十分敬重亥尔姆霍兹这位“柏林的老魔术大师”。亥尔姆霍兹是一位杰出的数学家、物理学家和生理学家。1871年,他们邀请他来爱丁堡,后来又去了圣·安德鲁斯。

这时对电与磁的研究需要提出一种数学的技巧,来处理量的问题——方向及数量、矢量(向量)。

威廉姆·罗万·汉弥尔顿(sir William Rowan Hamilton)(不是威廉姆·汉弥尔顿)(Sir William Hamilton)是爱尔兰的数学天才,他14岁时就熟习了拉丁语、希腊语、希伯莱语、意大利语、法语、阿拉伯语、梵语与波斯语。他在22岁时被选为都柏林大学的天文学教授(这时他还是本科生呢),后来他提出了四元数。泰特在剑桥大学时对四元数十分着迷,他到了贝尔法斯特之后,开始与汉弥尔顿通信。他后来改变了自己的信仰,宣称:四元数是一种空洞的语言,美丽的方程可以用四元数的术语写出来,但是一旦认识了其结果,那就必然转向坐标的记法。而麦克斯韦是一个半转变信仰者,他不赞成否定四元数,他关心科学语言的发展,科学研究需要明确的概念。他首先认可四元数法,然后赋予它几何学的含义。直到今天,在对矢量的分析中,我们仍在使用这种符号。