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中外科学家发明家丛书_多人【完结】(949)

  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。

  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 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。


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