深邃的思想 非凡的预见麦克斯韦与电磁场论麦克斯韦 James Clork Maxwell ， 1831 一 1879)是 19 世纪最伟大的理论物理学家，经 典电磁场论的奠基人 1831 年 8 月 31 日出生于爱丁堡，童年时由于受到父亲的熏陶，对自 然科学产生了浓厚的兴趣． 15 岁时就初露锋芒，在英国《爱丁堡皇家学会学报》上发表数 学论文，这大大地增强了麦克斯韦在科学上的进取心1847 年秋天 16岁的麦克斯韦考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学专攻数学物理． 在这里 他跟凯兰学数学，跟福布斯学物理，跟哈密顿学逻辑学．三年后，为了进一步深造，他转入 英才荟萃的剑桥大学． 1852 年，麦克斯韦又以优异的成绩考取了奖学金，成了剑桥大学霍 普金斯教授的研究生， 同时还参加了剑桥大学著名的斯托克斯 (G • G • Stokes, 1819 —1903)讲座． 在这两位数学大师的指点下， 麦克斯韦进步很快， 不出三年就形成了当时所有先进的 数学方法,成了一名年轻有为的数学家．麦克斯韦毕业后留校工作. 起初，他研究的课题是光的色散理论， 不久，他接受了威廉・汤 姆逊(W • Thomson , 1822 — 1892)的建议，开始了电磁学的研究。
当他读了法拉第(M.Faraday,1790 — 1867 )的《电学实验研究》后，立即被书中新颖的实验和见解所吸引， 他迅速以极大的热情投入了这个大有作为的研究领域． 当时, 电磁学在实验研究方面的四大 定律(库仑定律、高斯定律、安培定律和法拉第电磁感应定律)已先后建立,特别是法拉第 长期坚持对抗磁体的研究,并于 1851 年发表了《论磁力线》一文．这篇文章中蕴藏着朦胧 的电磁场论的思想,这些先决条件为麦克斯韦的创造性研究准备了肥田沃土．法拉第在《论磁力线》一文中, 凭借他丰富的想象力和敏锐的洞察力, 提出了非常深刻 的“力线”和“场”的思想,但他并没有把他的理论提高到数学的高度,因而很难为一般理 论物理学家所接受,甚至还引起不少非议．麦克斯韦坚信法拉第的新说中一定包含着真理, 他认真地研究了法拉第的著作后, 终于领悟到了力线思想的保贵价值, 同时也看到了法拉第 定性表述方面的弱点,这位初出茅庐的青年科学家决心用数学来弥补这一切．1856 年,麦克斯韦来到阿伯丁的马里斯查尔学院任自然哲学讲座教授；同年,他发表 了电磁场理论方面的第一篇论文《论法拉第力线》 ．这篇论文是麦克斯韦把法拉第力线数学 化的最早尝试,他依据类比给出了电场和磁场理论．他的论文开头这样说到： “为了不用物理理论而得到思想, 我们必须熟悉物理类比的存在． 所谓物理类比, 我指的是一种科学的定 律与另一种科学的定律之间的部分相似性, 它使得这两种科学可以互相说明． 于是, 所有数 学科学都是建立在物理学定律与数的关系上, 因而, 精密科学的目的, 就是把自然界的问题 简化为通过数的运算来确定各个量． 从最普遍的类比过渡到部分类比, 我们就可以在两种不 同的产生光的物理理论的现象之间找到数学形式的相似性” ．接着, 麦克斯韦把法拉第力线、 力管和电场强度与流体力学中的流线、 流管和流速进行类比, 引入一种新的矢量函数来描述 电磁场,把法拉第的思想用数学语言表达,从而导出了电磁场中的力和通量之间的关系．法拉第读完了麦克斯韦的论文后这样说道； “当我看到了数学在解释这个问题时的这种 威力时……，一开始我甚至感到惊骇•但后来，看到问题竞如此出色地经受住了这一切时， 我又感惊异”．1857年,法拉第抑制不住激动的心情欣然向麦克斯韦写了一封长信,对他的 论文作出了中肯的评价，并对他的研究工作给予了热情的鼓励.1860 年,麦克斯韦应邀到伦敦皇家学院任教,来到伦敦后不久,麦克斯韦特意拜访了 已是伦敦皇家学院院长的法拉第. 这位实验大师已年近七旬， 而麦克斯韦还未到而立之年. 虽然两人年岁相差甚远，而且他们的研究方法截然不同；一个专于实验， 另一个增长理论•但两位科学巨匠对物质世界的看法却产生了共呜， 这使他们相见恨晚. 在对电磁理论本质规律 的探索中，两人在许多方面是互补的．爱因斯坦后来把他们俩称为一对。
法拉第在四年前已经拜读了麦克斯韦的论文，见面后才知道论文的作者如此年轻．当麦 克斯韦征求这位古稀老人对论文的看法时，法拉第谦虚地说； “我不认为自己的学说一定是 真理， 但你是真正理解它的人” ．他接着又说：“但你不应该停留在用数学解释我的观点，而 应该突破它” ．这位古稀老人激动的鼓励， 深深地牵动着麦克斯韦的心， 经过两年的苦心研究， 麦克斯 韦于 1862 年在英国著名的《哲学杂志》上，以《论物理力线》为题，发表了他的第二篇电 学研究论文．文章一刊出，立即引起了广泛的注意．这是一篇划时代的论文，它与 1856 年 《论法拉第力线》相比有了质的飞跃． “涡旋电场”和“位移电流”的概念，是这篇文章的 杰出之处．麦克斯韦为了更好地描述法拉第的力线思想，提出了电磁以太的力学模型． 1861 年， 他在这个模型的基础之上， 对变化的磁场能产生感应电动势的现象进行了深入的分析， 认为 即使不存在导体回路， 变化的磁场通过媒介也会激发一种场， 他称这种场为感应电场或涡旋 电场． 同时麦克斯韦还发现：在连接交变电源的电容器中，电介质内并不存在自由电荷，也 就是没有传导电流， 但磁场却同样存在． 经过反复思考和分析，麦克斯韦毅然指出：这里的 磁场是由另一种类型的电流形成的． 这种电流存在于任何电场变化的电介质中， 麦克斯韦把 这种电流称为“位移电流” ．1864 年，麦克斯韦向皇家学会提交了他的第三篇电学论文《电磁场的动力学理论》 ，这 篇 论 文 于 1865 年 发 表 在 《 哲 学 杂 志 》 上 ． 他 在 这 篇 论 文 中 系 统 地 总 结 了 从 库 仑(C • A • Coulom,1736 —1806)、安培(A • M • Ampere, 1775 —1836)到法拉第以及他自 己的研究成果， 提出了一共包含 20 个变量的 20个方程式， 即著名的麦克斯韦方程． 他写道： “我提出的这个学说可以称为电磁场理论, 因为它关系到带电体或磁体周围的空间． 它可以 称为动力学理论, 因为它假定在那个空间存在着运动的物质, 在这些物质中理应产生可观测 到的电磁现象” ．麦克斯韦就这样直接地预言了电磁波的存在．按着, 麦克斯韦从基本方程组导出波动方程, 证明了电磁波是一种横波, 并求得电磁波 的传播速度在空气中等于电量的电磁单位与静电单位之比, 即等于空气或真空中的光速． 他由此得出结论： “这一速度与光速如此接近,看来,我们有强烈的理由断定,光本身乃是以 波的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁扰动” ．这就是“光的电磁说” ．这样,早先 法拉第关于光的电磁理论的朦陇猜想,由麦克斯韦把它变成了科学的严谨推论．1865 年,在他的第三篇电学论文发表后不久,麦克斯韦辞去了皇家学院的教席,来到了 格伦奈尔专心于 《电磁学通论》 的写作, 准备对人类近二百年来在电磁学领域的研究成果作 全面的总结．其中有库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的创造性劳动,也有他本人的开山之 功．经过几年的甘苦, 《电磁学通论》的专著终于在 1873 年问世．这部经典著作,以著名的 方程组把电荷、 电流、 电场和磁场间的普遍联系完全统一了起来, 电磁波传播的研究和光的 电磁理论是这部著作的精髓． 在物理学史上, 这一鸿篇巨著可以与牛顿的 《自然哲学之数学 原理》相媲美．这部伟大著作于 1881 年、 1891 年相继再版；其中包含了作者许多保贵的资 料和深奥的见解． 它对当代物理学家甚至对以后几代物理学家来说都是一个伟大而又不易达 到的丰碑．麦克斯韦电磁理论在他的生前并未得到充分的重视, 他在英国的荣誉远不及法拉第, 他 的思想太不寻常了，就像赫姆霍兹曼( H • V • Helmholtz , 1821 — 1894)和玻尔兹曼(L • Boltzmonn , 1844 — 1906)这样有异常才能的人为了理解它也要花费好几年的气力. 只到1888年，德国物理学家赫兹(H • R • Hertz , 1857— 1894)用实验的方法证实了他电磁 理论预言的所有方面，麦克斯韦的理论才得到了普遍的承认.麦克斯韦电磁场理论的建立和证实，无疑是 19世纪物理学领域最重大的事件之一，它 是研究一切电磁现象的出发点． 它以严谨而对称的数学形式归纳了电、 磁和电磁辐射之间的 最基本关系， 使所有早先建立的定律都包容进去， 他使人们更深刻地认识了光的电磁本性． 从 根本上改变了人类自牛顿时代以来对世界本质的认识，引起了物理学思想领域深刻的变革， 并导致了 20 世纪初叶狭义相对论的创立．它对整个科学的发展，对人类文明的进步都具有 深远的意义．1879 年 11 月 5 日，麦克斯韦因肠癌过早地去世，他的一生，不仅在电磁学领域，而 且在热力学、 天文学等许多领域都作出了不朽的贡献， 为后人留下了保贵的科学财富和精神 财富．麦克斯韦的名字和牛顿、爱因斯坦一样，永远是近代物理学发展的象征． 主要参考书目：1．丁士章王安筑等《简明物理学史）2．束炳如，倪汉彬杜正国编著《物理学家传》3．张瑞成主编《近代自然科学史概论》4.［美］A •赛格雷到从落体到无线电波》一一经典物理学家和他们的发现 5．蔡健光、葛华强编著《物理学的发展》。