詹姆斯·克拉克·馬克士威

蘇格蘭數學物理學家。其最大功績是提出了將電、磁、光統歸為電磁場中現象的馬克士威方程式。馬克士威在電磁學領域的功績實現了物理學自艾薩克·牛頓後的第二次統一。

在1864年發表的論文《電磁場的動力學理論》中,馬克士威提出電場和磁場以波的形式以光速在空間中傳播,並提出光是引起同種介質中電場和磁場中許多現象的電磁擾動,同時從理論上預測了電磁波的存在。此外,他還推進了分子運動論的發展,提出了彩色攝影的基礎理論,奠定了結構剛度分析的基礎。

分子運動論和熱力學

馬克士威在分子運動論方面也有建樹。分子運動論由丹尼爾·白努利創立,其後經約翰·赫帕斯、約翰·詹姆斯·沃特斯頓、詹姆斯·普雷斯科特·焦耳以及魯道夫·克勞秀士等人發展。這些人中尤以克勞秀士對於分子運動論貢獻為大。他讓這一理論成為受到公認的理論。而後,分子運動論的發展又經馬克士威大大推進。他對於這一理論的實驗驗證以及數學模型的建立都有貢獻。1856年至1866年間,他建立了氣體分子速度分布律理論。這一理論後來由路德維希·波茲曼進一步發展推廣為馬克士威-波茲曼分布。馬克士威-波茲曼分布給出了在一定溫度下以一定速度運動的氣體分子的在整體中所占比例,從而進一步得出氣體的溫度與構成它的分子運動情況有關。這推廣了先前建立的熱力學定律,並對當時已有的實驗現象和結果給出了較先前更好的理論解釋。而在對於熱力學的研究過程中,馬克士威又進行了一個可以詰難熱力學第二定律的思想實驗。他設想如果一個熱力學系統內部存在這樣一個機制:其可以辨識分子運動速度,並令運動速度在不同區間上的分子向系統不同部分集中(這一機制一般被稱為馬克士威妖);那麼一個孤立系統的熵可能會因為這一機制的存在而減少,而這與熱力學第二定律相違。1871年,他從熱力學勢對兩種熱力學狀態量的二階偏導與求偏導的先後順序無關出發,給出了一系列熱力學狀態量偏導數間的等式關係,即馬克士威關係。1874年,基於約西亞·吉布斯對於熱力學過程進行圖像解釋的論文,馬克士威又提出了馬克士威熱力學面來對相變進行圖像解釋。