Physics 版 (精华区)

发信人: linhtje (禅之精义), 信区: Physics
标  题: 第二十三章 麦克斯韦和 科学呆子（上）
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed May 21 22:20:31 2003)

发信人: response (堂.吉坷德), 信区: physics
标  题: 第二十三章 麦克斯韦和 “科学呆子”（上）
发信站: 饮水思源 (2003年05月04日12:37:47 星期天), 站内信件

　　我们应该为满足人们对知识的好奇心而进行投资。
　　罗纳德·里根1980年竞选演说
　　没有任何事情比提高公众的科学和文化水平更值得我们去给予支持。在每一个国家

，知识都是公众获得幸福的最坚实的基础。
　　乔治·华盛顿1790年1月8日国会致词
　　思维模式化种类繁多。种族群体思维模式化，各个国家的国民和宗教的思维模式化

，性别和对男女优先权的认识模式化，对在一年中各个出生时间的看法模式化（太阳征

兆占星术），对职业看法模式化。对这些模式化的最宽容的解释将其归咎于一种思维惰

性：不是根据人的优点或缺点对人进行评价，而是将注意力集中于对人的零星信息，然

后将这些零星信息归入到以前建立的数量本来就不多的认识框架中。
　　这样做省去了思考的麻烦，但却造成了由于在许多问题上的深刻的偏见所付出的代

价。思维懒惰也使人不与大多数人进行接触，思维方式与人的思维多样性格格不入。即

便在许多情况下模式化的思维方式有效，但肯定在很多个别情况下是要失败的。人的类

型呈钟形曲线。平均值上显示的是每种不同特性的人，而极特殊的少数人分布在曲线的

两个极端。
　　有些模式化的形成是没有控制各种变量，忘记了其它可能起作用的因素所造成的结

果。例如，模式化的思维方式通常认为，在科学领域内几乎没有女性。很多男科学家对

此态度十分明确：这种情况证明女性缺乏从事科学工作的能力。从气质上讲，科学不适

合她们，对她们来说科学太难了，科学要求具有一种女性所不具有的才智，她们太容易

感情用事而难以探求客观事物。你能想象得出有什么伟大的女理论物理学家吗？……等

等诸如此类的言论。但从那以后，这种错误认识不攻自破。今天的女性已在科学的大多

数领域占据了一席之地。在我所从事的天文和行星研究领域，女性近来异军突起，做出

了一次又一次的发现，为天文学吹来了一股急切需要的清新空气。
　　在本世纪五六十年代以及更早一些时候，所有的著名男科学家都那么权威性地宣称

女性在智力上有缺欠，他们遗漏了什么信息呢？坦率地讲，是社会使妇女们不能进入科

学领域，然后指责她们不能从事科学。他们混淆了原因和结果：
　　你想成为天文学家吗？小姐？对不起。
　　为什么你不能呢？因为你不合适。
　　我们怎么知道你不合适？因为从来没有女人成为天文学家。
　　如此直截了当，这些话听起来实在荒谬。偏见的计谋真是狡诈。受鄙视的群体被站

不住脚的证据拒之门外，有时候他们的这种自信和蔑视使得我们中的一些人，包括一些

受害者本人都未能分辨出这些自编自演的骗人把戏。
　　对怀疑论者召开的会议作一个简单的观察，随便瞥一眼“超常现象科学研究委员会

”成员的名单，你就会发现男性所占据的巨大优势。其他人宣称在妇女中有比男人多得

多的人数相信占星术（在大多数“女人”的杂志中有用占星术算命的内容，而在“男人

”的杂志中却基本没有）、水晶球算命、超感知觉等等。一些评论人员认为，男人特别

具有怀疑精神。男人富有进取精神、竞争意识、勇于面对任何事情，而且思维严谨。他

们说，女人很容易接受各种观点、看法容易取得一致、对于挑战常规知识缺乏兴趣。但

是从我的经验来看，女科学家和她们的男性对手们一样具有敏锐的怀疑精神。这正是科

学家素质的组成部分。这种对女性的批评如果确实存在的话，那么，它也是以一种司空

见惯的拙劣的掩盖方式告诉世界：如果你不激励女人了解什么是怀疑精神，不教给她们

怀疑论的基本观点和思维方法，那么，毫无疑问，女人是不可能具备怀疑精神的。打开

大门让她们进来，她们也会和其他人一样具备怀疑精神。
　　对职业形成模式化认识的各种职业中包括科学。科学家都是木讷的“书呆子”，社

会交往笨拙，钻研晦涩难懂的问题，这些问题正常人不会有任何感兴趣之处（即使他们

愿意花费所需要的时间），理智健全的人也不会去做这样的工作。你也可能对科学家们

说：“过正常的生活吧！”
　　我曾经要求一位我认识了11年的专家对“科学呆子”的当代特点进行一个详细的描

述。我要强调的是，她仅仅是对她自己的感受进行叙述，她没有必要赞同传统的偏见。


　　“呆子”们把皮带系在紧靠胸廓的下边。他们的短袖衫上配带的防护罩中插满令人

敬畏的五颜六色的钢笔和铅笔。能编程的计算器装在一个特制皮套中。他们都戴着厚厚

的眼镜，折断了的鼻梁架用邦迪胶带粘着。他们缺乏社会交往的基本技能，对这种技能

的缺乏他们毫不在意、漠不关心。他们笑时，会发出一种哼鼻声。他们彼此用一种晦涩

难懂的语言交谈。他们会抓住机会在除了体育课以外的所有课堂上赢得更多的赞扬。他

们对普通人不屑一顾，普通人也嘲笑他们。许多“科学呆子”都叫类似诺曼的名字（诺

曼征服就是一群高束皮带、穿着保护罩、拿着计算器、戴着破眼镜的“呆子”入侵英格

兰）。男“呆子”多于女“呆子”，但是两者中都不少。“呆子”们从不约会。如果你

是一个“呆子”，你就不会太潇洒，反之亦然。
　　这当然是一种模式化的认识。也有许多科学家穿着典雅，举止风度也相当潇洒，很

多人都渴望和他们约会，他们也不会怀揣计算器去参加社交活动。如果你邀请他们去你

家做客，你不会想到他们是科学家。
　　但是有的科学家或多或少的确适合这种模式。他们在社交方面相当笨拙。与掘土机

驾驶员、时装设计师或者高速公路巡逻警察相比，科学家中的“呆子”比例会更高些。

可能科学家比起酒吧男招待、外科医生或快餐厨师来更木讷。为什么会这样呢？也许在

与他人交往中没有天赋的人就到那些无需与人打交道的事业，特别是数学和物理学中去

寻求自己的天地；也许对艰深难题的刻苦研究需要太多的时间和精力，使得他们难有闲

暇去学习社会处世方面的知识。或许两方面原因兼而有之。
　　与人们心目中近乎疯癫的科学家形象一样，“呆子”科学家的模式化认识在我们这

个社会也十分普遍。对科学家“书呆子”似的举止开一些善意的玩笑有什么不妥之处吗

？不论什么原因，如果人们不喜欢人们心目中的“书呆子”科学家，那么，他们就不会

更好地支持科学事业。为什么要资助怪人们去进行那些愚蠢而又令人费解的研究计划呢

？我们所能够给予的答案是，科学之所以得到支持是因为科学为整个社会各阶层的人带

来了特别的利益。这点，在本书的前面部分我已经谈到。因此，那些认为“呆子”有些

令人讨厌的人，同时却又渴求科学成果。他们处于矛盾之中。一个吸引人的解决办法就

是直接指导科学家的行为，不要只给他们钱，让他们用钱做一些稀奇古怪的事情，应该

告诉他们我们需要的东西，如进行这个发明或进行那方面的研究。钱不要仅用来满足“

呆子”们的好奇心，而要用来造福社会。这道理似乎很简单。
　　我们遇到的麻烦是你不可能安排某人从事一项特定的发明，即使是花费多少并没有

人反对，你也很难保证能够获得发明结果。没有对知识的整体了解，在你的头脑中就无

法形成发明的思想。科学史告诉我们，一个人通常很难在某一个确定的方向中按社会的

总体需要进行发明和创造。发明的想法可能会出自那些穷乡僻壤中的孤寂的年轻人的无

聊遐想。它们甚至被其他科学家忽略或轻视，有时直到新一代的科学家成长起来，才发

现这些新思想。激励大量的现实中的发明而抹杀了出于好奇心的研究经常得到适得其反

的效果。
　　假设：在上帝的恩赐之下，你成为大不列颠及北爱尔兰联合王国的维多利亚女王，

也是在英帝国最为兴盛辉煌的年代中信仰的捍卫者。你的管辖领地延伸到这个星球的每

一个角落。世界版图上到处可见英国的红舰队。你掌管着世界一流的技术力量。蒸汽机

是在大不列颠得以完善的，这主要归功于苏格兰的工程师们，是他们在火车和蒸汽船方

面所发挥的技术专长使英帝国紧密地连接为一体。
　　假如1860年你有一个富有远见的想法，你的这个大胆的想法假如被儒勒·凡尔纳的

出版商所驳回。你想有一种机器能传达你的声音，能将描绘帝国的辉煌图景传输到这个

帝国的每个家庭。另外，声音和图像不是从管道或电线中传输出来的，而是以某种方式

通过空气传播，这样，在工作中和在某一场地的人们就能马上收到旨在确保忠诚和职业

道德的鼓舞性的致辞。福音也通过同样的方式传送到所有人的耳朵中。其它社会所需要

的电器设备也可毫不费力地得到。
　　这样，在总理的支持之下，你召集内阁、帝国司令部的全体参谋和帝国最杰出的科

学家和工程师。你将拨款100万英镑并告诉他们，在1860年这是一笔大钱，如果他们需要

更多的钱，尽管向你伸手，你并不在乎他们怎样做。啊，是的，这个工程叫做威斯敏斯

特计划。
　　通过这样大的投入可能会出现一些有用的发明——“派生物”。它们总是当你在技

术上投入了大量资金的时候才会出现。但是威斯敏斯特计划几乎功亏一篑，为什么？因

为基础性的科学工作还没有做。1860年电报已经存在了。但是，你可以想象在每个家庭

安装电报设备需要花费多大的财力，只有用电报设备的人才能用莫尔斯电码滴滴哒哒地

传递信息。但这并不是女王所要求的。她头脑中想的是收音机和电视机，但是这些东西

还远远不可能出现。
　　在现实世界中，发明收音机和电视机所需要的物理学来自一个没有人能预想到的方

向。
　　詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1831年出生于苏格兰的爱丁堡。两岁的时候，他发现

能用一个镀锡铁皮将太阳光反照到家具上并使太阳光在墙壁上跳舞。当他的爸爸妈妈走

过来时，他大声叫道：“快看太阳，我用铁皮抓住了它！”在童年时代，他深深地迷上

了臭虫、蛹、石头、鲜花、镜片和机器。他的姑姑简后来回忆说：“回答不出那么小的

孩子提出的那么多的问题真是有些让人下不来台。”
　　他上学时很自然地被大家称做“小傻瓜”——英国英语中的“daft”（傻瓜——译

注）一词是用来形容头脑有些呆痴的人。他是个十分英俊的小伙子，但他总是穿着随便

，要舒适而不求样式。他的言谈举止中所带的苏格兰式的偏狭守旧也是他遭到讥笑的一

个原因。特别是当他进入大学以后，就更经常地受到讥笑。此外，他还有一些与众不同

的兴趣。
　　　麦克斯韦就是一个“呆子”。
　　他与老师的关系比与同学的关系要好些。那时，他写过这样一首略带伤感的两行诗

：
　　岁月流逝，期盼的日子飞速而过。
　　遭鞭挞的男孩将被指控犯罪。
　　很多年过去了，在他1872年接受剑桥大学实验物理学教授一职的就任演说上，他还

提到了这种“呆子”的模式：
　　就在不久以前，那些献身于几何学的人，或者从事具有持续的应用价值科学研究的

人，还被看成是不愿进行社会交往的人，他们被看成是必定会放弃人类利益的人。他们

沉湎于来自生命世界的抽象之中，他们的所作所为沉没于对他们具有巨大吸引力的并给

他们带来快乐的事情和肩负的责任之中。
　　我怀疑“不久以前”是指麦克斯韦回忆他年轻时经历的说法，他接着说道：
　　现在，从事科学的人已经不再被人们用敬畏的或怀疑的眼光看待。他们可能被看成

已经与这个时代的物质精神达到某种和谐统一，他们形成了知识分子中超前的激进一派

。
　　我们生活的时代已经不再是对科学技术的益处持无拘无束的乐观态度的时代了。我

们感觉到人们对科学的期望值在下降。今天的情况更像麦克斯韦所记得的他儿时的情况

。
　　他对天文学和物理学做出了巨大的贡献。他的贡献从令人信服地说明了土星环由微

小粒子组成、固体的弹性特性，到现在所说的气体和统计力学中的分子运动论的基本原

理。是他第一个显示了无数的微小分子各自处于永不停息的运动之中，不断地相互碰撞

，并有弹性地弹跳，并非混乱无序，而是遵循着精确的统计定律。这种气体的特性是可

预知和了解的（说明气体中分子运动速度的钟型曲线现在被称做麦克斯韦-玻耳兹曼分布

率）。他提出了一种假想的物体，现在这种物体被称做“麦克斯韦妖”（Maxwell's de

mon），这个精灵的运动产生了一个难题留待现代信总理论和量子力学去解决。
　　光的性质自古以来就是个难解之谜。它是一种粒子还是一种波，对这个问题长期存

在着尖锐的争论。普遍的各种定义形成了一种定式：“光就是将黑暗照亮的东西。”麦

克斯韦最伟大的贡献在于他确立了经典的电磁理论，电与磁的结合产生光。现在人们普

遍承认的电磁波谱——各种电磁波按照波长或频率的顺序所组成的排列，其波段包括Y射

线到X射线、紫外线、可见光、红外线以及无线电波，这一切都归功于麦克斯韦。有了他

的发明，我们才会有收音机、电视和雷达。
　　但是麦克斯韦所追求的并不是这些。他感兴趣的是电与磁之间相互转化的问题。我

很想描述一下麦克斯韦所做的研究，但是他的历史成就是建立在高深的数学理论基础上

的。在这么短短的几页内，我充其量只能给你们介绍一些皮毛。如果你不能完全理解我

所说的东西，敬希原谅。如果我们不使用一点数学，我们就无法体味麦克斯韦所做的一

切。
　　“催眠术”的发明人麦斯迈认为他发现了一种磁流。“几乎与电流一样”，这种磁

流可渗透到所有的物体之中。就这点来说，他的观点是错误的。我们现在知道其实并不

存在什么特殊的磁流，所有的磁性——包括存在于条形磁铁或马蹄形磁铁中的磁性——

都产生于运动中的电。丹麦物理学家汉斯·奥斯特曾做过一个小小的试验，电流通过线

圈时引起了附近小磁针偏转、摇摆，而线圈和磁针实际上并没有连接。伟大的英国物理

学家麦克尔·法拉第又做了一个曾获得高度评价的实验：通过切割磁力线的运动导致在

附近的电线中产生了电流。变化的电流似乎可以产生磁而变化的磁似乎又可以产生电，

这就是所谓的“电磁感应”。听起来似乎同魔术一样深不可测。
　　法拉第指出磁体有一种看不见的力的“场”延伸到附近空间，离磁体越近这种场越

强，离得越远，则越弱。你在一张纸上放一些小铁屑，然后在底下挥动一块磁铁，就会

发现磁场的存在。同样，在干燥的天气梳理头发通常也会产生一种电场，这种电场在无

法看到的状态下从你的头发中产生出来，它甚至能使小纸屑自己移动。
　　我们现在已经知道，电线中的电是因为一种叫做电子的亚微观带电粒子随着对电场

的反应发生移动而产生的。电线是由铜一类的材料制成，因为铜含有大量的不受原子束

缚、可以移动的自由电子。然而，大多数物质与铜不同，比如木头，它们不是良导体，

它们被称为绝缘体或“电介质”。在这些物质中，只有相对极少数的电子可以在外界电

场或磁场的作用下自由移动，不足以产生电流。当然，电子也会发生一些移动或“移位

”，电场越强，这种移位也越频繁。
　　麦克斯韦设计了一种方法记载那个时代他对电和磁的认识，这种方法精确地总结了

电线、电流、磁性的实验结果。最后得出了关于电和磁的行为的四个麦克斯韦方程式：


　　▽·E＝ρ／ε0
　　▽·B＝O
　　▽×E＝-B
　　▽×B＝μ0j＋μ0ε0E
　　真正地理解这些方程式需要到大学学习几年物理学。这些方程式是运用了数学的一

个分支——矢量积分的方法而写出来的。用大写形式写的量是既有大小又有方向的量—

—矢量。一小时60英里不是一个矢量，但一小时60英里在1号高速公路上向正北方就是一

个矢量。E和B分别代表电场和磁场。倒三角被称做“纳布拉”（因为它与古代中东的叫

做纳布拉的坚琴很相似），它表示电场或磁场在三维空间的变化。纳布拉后面的“点乘

”和“叉乘”表示两种不同的空间变化。
　　E和B代表电场和磁场的时间变化率。j代表电流。小写的希腊字母ρ表示电荷体密度

，ε0（念作“依普希隆零”）和μ0（念作“缪零”）不是变量，而是在其中测得的E和

B的物质特性量。真空中的ε0和μ0是自然界的两个常量。
　　考虑到有多种不同的量被聚合到这些方程式中，其简单明了令人吃惊。表达这些意

思本来需要几页纸才行，但实际上并非如此。
　　麦克斯韦方程组中的第一个方程式阐明了电场随距离的变化与电荷（如电子）密度

的关系。距离越远电场越弱，但是电荷密度越大（也就是说在给定空间内电子数越多）

，电场就越强。
　　第二个方程式告诉我们磁理论中没有类似的观点，因为麦斯迈所称的磁“量”（或

称磁“单极子”）是不存在的：将一块磁铁锯成两半你也不可能得到一个孤立的“南”

极和一个孤立的“北”极，每一块磁铁都有自己的“南”极和“北”极。
　　第三个方程告诉我们变化的磁场如何产生电场。
　　第四个方程所描述的正好相反，即变化的电场（或者说电流）如何产生磁场。
　　这四个方程是几代人的实验室实验的结晶，这些实验主要是由法国和英国的科学家

完成的。我这里只是粗略地、定性地描述一下，但方程式本身是精确地和定量地描述的

。
　　麦克斯韦接着又问了自己一个奇怪的问题：这些方程在没有介质的空间中、在真空

中、在一个没有电荷也没有电流的地方是什么样的形式呢？我们很可能认为在真空中没

有电场也没
　　有磁场。然而，麦克斯韦认为真空中的电磁行为所具有的方程组形式应该是：
　　▽·E＝0
　　▽·B＝O
　　▽×E＝-B
　　▽×B＝μ0ε0E
　　他将p设为零，表明没有电荷，他将j也设为零，表明没有电流。但是他没有去掉第

四个方程式中的最后一项μ0ε0E，它表示绝缘体中微弱的位移电流。
　　为什么没有去掉呢？从方程组中你可以看出，麦克斯韦的直觉保持了电场和磁场之

间的对称性。他认为：即使是在真空状态下，在完全没有电的情况下，变化的磁场亦能

够产生出电场，反过来也是如此。方程组代表着自然的属性，而麦克斯韦相信，自然是

美丽而精致的。（用更技术些的语言表述，另外还有一个在真空中保留的位移电流，这

里就略而不谈了。）这种部分地取决于“呆子”科学家的感觉而作出的判断，除了其他

少数专业科学家外，几乎无人知晓，但它对我们的文明所做的贡献比十个近年来的总统

和首相们的贡献还要大。

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湖水如此清澈冰凉、沁入心脾，以至把一副骨头架子扔进去都能活过来。
※ 来源:·饮水思源 bbs.sjtu.edu.cn·[FROM: 202.120.52.10]


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    当观色无常，则生厌离，喜贪尽，则心解脱。色无常，无常即苦，苦即非我。
    厌于色，厌故不乐，不乐故得解脱。

※ 来源:．哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn [FROM: 202.118.229.92]