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开始,他不知道在阿伯丁是否有合适的研究条件。但是,麦克斯韦的人品决
定他要守信用,于是他还是去阿伯丁上任了。
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三、土星光环
1856年初冬,麦克斯韦来到了马里斯查尔学院,11月开始正式任教,这
一年他年仅25岁。
为了讲课,麦克斯韦花了很多功夫进行准备。但是第一次走上讲台,他
还是相当紧张。他在尽力地控制着讲课的节奏,心中默念着:“讲慢些,再
慢些!”可是一旦讲起来,他的言语又跟着他的思维,像脱缰的野马一样,
收不住了。他的思想敏捷,语速也快,而且夹带着不清晰的口音,就连来旁
听的院长也暗暗替他着急。他的速度快得惊人,两课时的内容,他只用一课
时便讲完了。而学生们大多依然呆坐着,什么也没听懂。于是他又从头至尾
讲了一遍,听懂的人依然微乎其微,只好尴尬地下了课。
在这以后,麦克斯韦决定反省自己的讲课方法,练习发音,练习放慢语
速,练习为别人讲解。好在这个时候,院长的女儿玛丽帮助了他,终于使他
没有再闹过笑话。不过凭心而论,麦克斯韦确实不是一块当讲师的材料。他
虽然有着敏捷的思维,渊博的学识,但是他的表达能力实在欠佳,永远不及
他的才思,以至于常常苦于说不出来。世界上确实有这样的一种人,他们很
善于用文字来表达,但却不太会驾驭语言。麦克斯韦就是这样,他讲起话来
杂乱无章,游移不定,但是若拜读他的文章,却是条分缕析,层次分明。在
马里斯查尔,麦克斯韦的论文内容精当,论述严谨,是大家所公认的。
在阿伯丁,麦克斯韦研究所得的主要成就是与电磁学毫无关联的天文学
和气体力学。在天文学方面,麦克斯韦用了整整两年时间研究土星的运行,
并于1858年发表了《土星光环》的论文。
早在1787年,拉普拉斯进行过把土星光环作为固体研究的计算。当时他
曾确定,土星光环作为一个均匀的刚性环,它不会瓦解的原因要满足两个条
件,一是它以一种使离心力与土星引力相平衡的速度运转,二是光环的密度
与土星的密度之比超过临界值0。8,从而使环的内层与外层之间的引力超过
在不同半径处离心力与万有引力之差。他之所以有如此推论,是因为,一个
均匀环的运动在动力学上是不稳定的,任何轻微的破坏平衡的位移都会导致
环的运动被破坏,使光环落向土星。拉普拉斯推测,土星光环是一个质量分
布不规则的固体环。
到了1855年,理论仍然停留在此,而这中间,人们又观测到了土星的一
个新的暗环,和现在环中更进一步的分离现象,还有光环系统自从被发现以
来二百年间整体尺度的缓慢变化。因此,一些科学家们提出了一个假说,来
解释土星光环在动力学上的稳定性,这个假说是:土星光环是:由固体流体
和大量并非相互密集的物质构成的。麦克斯韦就根据这一假说进行了论述。
他首先着手的是拉普拉斯留下的固体环理论,并确定了一个任意形状环
的稳定性条件。麦克斯韦依据环在土星中心造成的势,列出了运动方程式,
获得了对匀速运动的势的一阶导数的两个限制,然后由泰勒展开式又得到关
于稳定运动二阶导数的三个条件。麦克斯韦又把这些结果换成关于质量分布
的傅立叶级数的前三个系数的条件。因而他证明了,除非有一种奇妙的特殊
情形,几乎每个可以想象的环都是不稳定的。这种特殊的情形是指一个均匀
环在一点上承载的质量介于剩余质量的4。43倍到4。67倍之间。但是这种特
殊情况的固体环在不均匀的应力下会瓦解掉,所以固体环的理论假说是不能
成立的。
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出于非固体环的考虑,麦克斯韦通过把对环的形状扰动展开为某个关于
波的级数,审查了各种环的稳定性。他取一个起始模型,是一个由空间间隔
相同,质量全都相等的许多固体卫星组成的环,更复杂的结构以后就可以同
这个模型加以对照。光环的运动可以分解为四种:以恒定角速度绕土星的转
动,沿着环平面的径向、切向和法向的小量运动。通过数学方法的复杂运算,
麦克斯韦最后得出光环的稳定性取决于切向力的结果,并指出定义切向力的
那个参数必须在0与0。07倍的角速度平方之间。
这篇论文获得了1857年剑桥的亚当斯奖,那年他年仅26岁。他论文中
的基本点即土星光环是由一群离散的质点构成的,在1895年被科学家贝洛波
尔斯基和基勒用光谱观察证实。这篇论文和麦克斯韦在此方面的工作中,因
为当时条件有限,计算和结果中还有一定的误差,以及一些没有考虑到的因
素在内,但是论文的基本结论还是正确的,也为后人的研究指明了方向。从
这篇论文开始,我们可以看到麦克斯韦在科学上已经走向成熟。
麦克斯韦因此而获得了成功,在这样一个重要的经典问题上的成功给了
他数学上的自信,这种自信心对他以后的科学工作影响很大。在论文《土星
光环》中,麦克斯韦确立了典雅的文学笔调和精辟的数理分析。在他以后的
有关电磁学的伟大论文中,他仍然继续保持着这种技术分析水平,并且在物
理学和哲学的洞察力上具有划时代的进步。这些还表现在麦克斯韦同时期进
行的有关色视觉和气体力学研究上。
我们前面已经讲过,麦克斯韦喜爱玩两种玩具:提螺和活动画筒。活动
画筒引发了麦克斯韦对色彩的视觉的兴趣。在麦克斯韦以前,有一个名叫托
马斯·扬的人提出过有关色视觉的三感受器原理。早在几个世纪以前,画家
们就知道所谓的三原色,即红、黄、蓝,并且知道利用这三种颜色可以混合
调配出各种想要的颜色。然而当时人们对三原色和三感受器原理还存有疑
惑,因为牛顿断定并通过实验表示出来:棱镜光谱包含的原色是七种而不是
三种。
麦克斯韦早在1849年在爱丁堡的福布斯实验室就开始了色混合实验。在
那个时候,爱丁堡有许多研究颜色的学者,除了福布斯、威尔逊和布儒斯特
外,还有一些对眼睛感兴趣的医生和科学家。实验主要就是在于观察一个快
速旋转圆盘上的几个着色扇形所生成的颜色。麦克斯韦和福布斯首先做出的
一个实验是使红、黄、蓝组合产生灰色。他们的实验失败了,而其中的主要
原因是:蓝与黄混合并不象常规那样生成绿色,而是当两者都不占优势时产
生一种淡红色,这种组合加上红色不可能产生任何灰色。
接着,麦克斯韦又改进了他们的色螺旋盘,这是根据他的老师福布斯在
1849年的发明而发展起来的,它有两套不同颜色的着色纸,使用时灵活地在
盘上排列成可调整的扇形。当色盘旋转的时候,这些颜色就在眼睛中混合起
来。麦克斯韦还用了一套直径比第一套小的可调扇形,以便做出更为准确精
密的色比较。通过反复实验、比较,麦克斯韦根据各种颜色显露的角度,列
出色方程式。实验后,麦克斯韦正确地区分了三个新的光学变量——色彩(光
谱色)、色辉 (饱和度)、色荫(照度)。从而,麦克斯韦创立了定量色度
学这一学科,他证明:各种颜色都可由三种光谱刺激源的混合配成。并证实
了托马斯·扬关于色视觉的三个感受器的理论,证明了色盲的原因是一个或
多个感受器的无效。1868年,他研制了“色箱”,在生理视觉领域做出了非
凡的贡献,直到今天,在生理视觉学科中,人们还把人因特殊视觉效果产生
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于特殊区域的一条黑斑称为“麦克斯韦斑”,也算是对麦克斯韦在这一领域
工作成果的纪念。1861年,麦克斯韦在皇家研究院向听众们映示了第一张三
原色彩色照片,这无疑是光学领域的一个重要里程碑,为后来的光学研究和
彩色照片的诞生打下基础。
在马里斯查尔学院,麦克斯韦从事研究的另一个课题就是气体力学。他
之所以对这一题目有兴趣,是因为他在写《土星光环》论文的时候遇到了许
多与此有关的难题,所以他的倔强本性使他决定去突破它们,也正是这样,
他一生的大部分时光和精力都耗费在这一领域,直到他生命的最后两年。这
些我们将会在后面谈到。
在马里斯查尔学院的教书生涯中,麦克斯韦不是一个合格的老师,但是
在科学研究领域,他的才华渐渐发挥出来,他的研究方法也逐渐成熟、定型。
现在对他来说,物理学是要探讨的课题,数学则是他得心应手的工具。经过
了必要的题目的磨练,一旦找到了合适的课题,他就将显示出他的异彩。
在这段时期,1858年,麦克斯韦结婚了,新娘就是那个曾经给予他巨大
帮助的院长的女儿玛丽。在年龄上,玛丽比麦克斯韦大7岁,在后来,玛丽
仍然在科学事业上支持麦克斯韦,一心帮助丈夫进行色视觉和气体动力学实
验。麦克斯韦也深爱着妻子,1876年起,玛丽不幸患上了神经性疾病,麦克
斯韦在工作之余尽心尽力地照料她。
1860年初秋,马里斯查尔学院同阿伯丁的另一所大学皇家学院合并,合
并以后办学经费被削减,于是只好通过裁�