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第37章 卡文迪什实验室的创建者(2)

麦克斯韦并不自命是这支研究大军的领袖,他只把自己看成是对这些共在一个屋顶下生活的人负责的人。A.沙斯特后来写道:

“麦克斯韦很容易地看到了那些急于解决理论探讨中问题细节的学生们,这本应当是一个急于建立‘学派’的老师的一种认识方法,但这不是麦克斯韦的方法,他考虑的是如何促进科学的进步,培育学生们的心智,让每个人都走自己的道路。他同情科学的探讨,不论是探讨科学的重点还是细节,他的精力都是不可穷竭的,他常常鼓励人们,甚至当他发现一个学生走上了错误的道路时,他也会说,‘我从来不想靠实验来说服一个人’。他有一次对我说,‘如果我没有发现我想发现的东西,我就要发现别的东西’。”

麦克斯韦的教育思想和教学方法很值得学习。首先,他对自己的学生非常负责,极其耐心,就是在讲完课以后,还要与好刨根问底的学生呆上几个钟头,与他们共同讨论问题。其次,他能启发学生积极主动地参与教学过程,反对照本宣科,死板讲授,反对给学生留大量作业,鼓励学生独立思考。第三,他能因材施教,根据每个学生的不同特点,对他采取不同的教学方法。

即使学生走上了错误的道路(在学习上方法不对),他也允许学生去自己发现问题,而不是强迫他如何去做,“我从来不想靠实验来说服一个人”。不错,“事实胜于雄辩”,这是从总的方面讲的,但是靠枚举事实去证明某个思想是没有说服力的,因为对方也可以靠这个方法来反驳你。

J.J.汤姆逊写道,麦克斯韦这种自由的研究方法是一种正确的方法,他先向学生提出有趣的问题,设计开始时的实验方法,而且一直保持着对实验进程的热情。

麦克斯韦的老师汤姆逊曾经说:麦克斯韦常常表现出心不在焉的样子。当你向他提出一个问题时,他没有反应,或所答非所问。但第二天,他就对这个问题给出答案,认真地告诉你。

这表明他用心思考了这个问题。有时,我不能肯定在他的心目中在想什么,但他常常以这样的话作为谈话的开场白:“那一天你问了我一个问题,我一直在考虑它。”这表明他是很严肃认真的人。

这一段话说明了麦克斯韦勤学多思的风格。中国古人说“行成于思”,“心之官则思”都说明“思”的极端重要性,他之所以能对人类做出如此伟大贡献恐怕这是根本的一条。在一个“说话的嘴多,思考的头脑少”的浮躁时代,做到多思,谈何容易!在商品经济时代,无孔不入的大众媒体,眼花缭乱的商业广告,更会使世人跟着电视走,不再进行独立思考。庸俗浅薄的文艺,只产生感官刺激效果的娱乐,使人们忘记了自己的脖子上还长着一个自己的脑袋,不再独立思考任何问题,不想甚至害怕自己独立思考任何问题。马尔库塞在他的名著《单向度的人》中极其深刻和生动地描述了现代西方工业文明对人成长的不利影响——人越来越走向片面化、低素质,只追求感官享乐,不重视精神世界的丰富与完美。埃·弗罗姆等人也早就提出过类似的观点。

请想一想,如果一个社会大部分人丧失了独立思考能力,“只跟着感觉走”是多么可怕。

麦克斯韦的学生格雷兹布鲁克(Glazebrook)是国家物理学实验室主任,在谈到麦克斯韦用他的潜意识考虑问题时说:“当问题出现时,麦克斯韦早就做好了听的准备。常常答案不能马上得出,但过一会儿就会有了答案。我记得有一天,当我正处在两难境地时,他对我说:好,克利斯托尔曾对我讲过,加奈特(Garnett)和彻斯特(Schuster)也一直问我这些问题,所有这些在我的大脑中都形成了厚厚的一层。你刚才讲的,我也要想一想,我们会得出答案的。几天之后,他告诉我他的想法,这个问题我考虑过了,如果你这样做的话……就会解决了。”

他给学生留下的作业常常是一系列高精度的实验,其中最好的例子就是测试欧姆定律:电压与电流之间的关系怎么是直线的。因为当电流增加时,热效应也会增加,电阻随温度而变化。

“对欧姆定律的测试获得了成功,虽然在一些实验中金属丝被电流烧成白热状态。”他对坎贝尔说,他看到了欧姆定律的线性,这与他在气体中发现的黏滞性相似,他认为这又一次证明了宇宙是由一个理性的上帝创造的。

麦克斯韦认为,科学实验的目的是获得某种量的数字估计(toobtain a numerical estimate of some magnitude),这当然是探索的一部分。他对法拉第十分崇拜。在他那个时代,卡文迪什实验室还没有做过这样的实验。但在J.J.汤姆逊之后(他说他实行麦克斯韦的研究路线),开始做了大量的纯研究实验。在这两个王国之间,有什么不同呢,请看麦克斯韦对他实验室的雄心。

“我们实验室的主要工作是熟悉各式各样的科学方法,并对它们进行比较,以对它们的价值作出估计。这是我们大学值得做的工作。在这里更可能好地完成任务。通过对不同科学程序相对价值的讨论,我们就可以成功地对某一学派进行科学的批评,这有助于方法学说的发展。”

要对事物进行有效的探索,除了有正确的思想路线之外,科学的方法是成功的关键。所以麦克斯韦特别注意对方法的研究。他的具体做法是尽可能多地收集各种方法,对它们进行对比与分析,从而确定哪一种方法更科学,更有效,这当然是正确的,也有助于促进科学方法论的发展。

当然,麦克斯韦也有压力。在《自然》杂志上,有人发表文章说,希望卡文迪什实验室能在10年之内超过德国大学的水平。

另一个因素是,实验常常进入没有地图的领地,这对学生来说有某些危险性。如果成功了那一切均好;如果失败了,那学生们就浪费了时间。对一位教授来说,在他的任期之内,总要做出成绩来。

科学研究不能脱离现实的社会生活,特别是人类的生产领域。这种情况使科学活动带上了功利的性质——科学技术必须能尽快转变成生产力,能变成金钱与财富,否则它又有什么用呢?这是任何一个社会对科学一般的看法。但是,我们又不能用这种观点来看待基础科学的研究,基础科学研究切忌急功近利。对科学研究的这两种对立的态度常常使科学家苦恼和为难。麦克斯韦现在也遇到了这样的问题。

麦克斯韦卷入了一些前途未卜的实验之中。在18世纪60年代,他试图发现地球对以太的相对运动速度,这当然不会有结果。他在卡文迪什实验室的第一个学生试图发现电磁波,这当然也失败了。根据电、磁、光的统一性,物理学家们打算解释整个的自然秩序,剩下的只是把事物测量到更精确的程度。他说,“当代实验的特征主要由测量构成,这是很明显的,但这个问题似乎扯远了些。在今后几年内,一切伟大的物理常数都会大致算出来,作为科学的人的惟一工作就是将这些测量弄清确,如果确实这就是我们正在接近的事物状态,那我们的实验室也许会变成著名的自觉劳动之地和最高技巧之地。但是,我们不能设想不付出研究劳动就会得到好处。”“过去时代那些伟大的探险家们已告诉了我们什么东西是有价值的。科学史告诉我们,在自然的发展方面,她把自身呈献给不断提高数量上的精确性,她还为我们准备了要去探索的新领域。但是,如果我们停留在前人粗略的方法上,我们就永远处于未知的黑暗之中。我这里列举一些从各个科学领域里收集来的例子,表明认真地小心地测量会得到发现新的研究领域的报偿,会得到新的科学观念的产生的报偿。”

麦克斯韦是一个工作作风和学风十分严谨的人,这一点特别表现在科学测量上。他精心设计,精心测量,决不马虎,决不放过任何一个可疑的问题。这是一种科学的求真精神,不敷衍不塞责,精益求精,严格要求,这是科学本身所要求的,因为事实是顽强的东西,并不以我们的意志为转移,这里没有可供选择的余地,丁是丁,卯是卯。任何搞科学研究的人,都应当具备这种求真精神,这也是在科学上成功的重要因素。

归根结底,麦克斯韦并不真是一个实验物理学家,而是一个理论物理学家。他对对称、完美性、规整生有其特殊的感觉和爱好,而不是只专注于量的秩序、数字、明显的或不明显的效应。

从他的本性上看,麦克斯韦也不是真有实践精神的人,你让他设计一个实验室,他可以做到,但他的精神并不附在凡间的事物之上。实际上。麦克斯韦是一个物理哲学家、理论物理学家(他那个时代称为自然哲学家),在这方面,他具有特别的天赋。与一切伟大的理论物理学家一样,他们虽然生活在人间,但精神却在天上(并不附在凡间的事物上),他们对宇宙和大自然的壮美瑰丽、和谐、对称、质朴、简洁,发出由衷的赞叹。正是凭借这种对宇宙构造的深沉信仰,他们才悟透了天机,把上帝的秘密告诉了人类。1878年,他在剑桥作了一次关于贝尔新发明(电话)的讲演,这是一篇十分优美的讲演:

“两年前,新闻来自大西洋彼岸,人们发现了一种新的发送信号的方法,借助电,人类语言清晰的声音,可以在数百英里之外听到(讲话者的声音)。我们有理由相信,这种报告事实上有某种基础,它使我们的想像活跃起来,以形象勾画出我们构建艺术的胜利。”

最后,这种小小的仪器出现了,它由部分构成,其中每一部分都为我们所熟悉,我们可以把他们重新组合在一起。

电话,虽然其材料易得和结构简单,但它包含了物理学的原则,研究它是有价值的。我只能说,我还没有遇到过任何熟悉电的人论述这个题目的文章,这表明人们不理解它的价值。

“整个机器的完美对称——线在中间,电话机在线的两端,两个人可以在相距很远的地方聊天,这对一个数学家来讲太不可思议了。但是,它不能满足斯宾塞式的进化,把它看成是有两端的很低级的有机生物,在它没有达到完善之前它的机能肯定还会不停地分化。”

麦克斯韦完全从一个理论物理学家的角度对贝尔发明的电话进行了满腔热忱的赞扬(神奇性、对称性)。但他又指出,研究电的人应当对这个新事物的原理进行研究,不使这种新的发明只停留在使用上。特别是当他风趣地把电话机比喻成“斯宾塞式的低级有机生物”时,预言了电话还会不停地发展、完善。斯宾塞是主张进化论的,在那个时代,关于进化论的大辩论几乎使所有的人都卷进去了,但麦克斯韦冷眼旁观,没有介入,不过从他的世界观来看,特别是这里引用斯宾塞的有机进化论来看,麦克斯韦是赞成达尔文进化论的。

麦克斯韦以“发明了电话,它很快就改变了社会”结束了自己的讲演。这句话充分肯定了科学技术的新发明对人类文明进步的巨大推动作用。

卡文迪什实验室的创建常常被看成是科学教育中的一场革命,但实际上并不如此。实验室教育是潜移默化的,作为对传统十分着迷和保守的麦克斯韦,也只是相信慢慢地改革。自然科学荣誉学位考试设定于1882年,但实际上很少有人参加,因为当时很少有学校教授科学,这才是真正的问题所在。麦克斯韦所做的只是为无与伦比的剑桥大学的科研工作打下基础。在这个时期,麦克斯韦在科学上成就不大,因为教学用去了大量时间,他的讲演风格也没有什么改变。听课的人往往很少。

麦克斯韦对科学史很感兴趣,像他重新发现卡文迪什一样,瑞利重新发现了瓦特森、凯尔文、萨地·加诺,他是第一个系统地解释了热力学第二定律的人。麦克斯韦还努力研究了罗杰·寇茨的光学著作。卡文迪什计划写一部科学史,内容包括麦氏十分熟悉的最著名的科学家的思想:雷恩(Wren),瓦里斯(Wallis),惠更斯·胡克,牛顿,寇茨,史密斯,亚特伍德(Attwood),惠威尔,大卫·格莱格里(David Gregorny),J.普雷弗尔(J.Playfail),艾渥利(I Vory),莱布尼兹,达兰贝尔,欧拉,伯努利(Bernoullis),拉普拉斯,拉格朗日等,这些人都对力学的发现感兴趣。麦克斯韦说:

“自从伽利略和牛顿以来,正确的动力学观念的培育和大众化,在大众生活的语言和观念方面都发生了很大变化。但是,也只是最近时期,随着人们对机械兴趣的增加,人们才把力和能的概念区分开来;但是搞科学的人又很少观察到这种区别。我们经常听到人们说炮弹的力,这时指的是它的能或动量,听到人们说电化的物体的力,这时指它电化的量。”

麦克斯韦对19世纪力学的分析完全正确。

为验证他的理论,做实验占用了他大量的时间,加上护理有病的妻子也花费了他大量的精力。在他的101篇论文中,有58篇是在剑桥大学出版的。在这58篇中,有12篇是书评,6篇是讲演稿,8篇是写给不列颠百科全书的条目,9篇是评论,21篇是笔记。1878年,他又进入创造的高潮,写了两篇论气体的重要论文。之后,致命的病开始了。

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