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麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家
。1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡，自幼聪颖 ，父亲是个知识渊博的律师
，使麦克斯韦从小受到良好的教育。10岁时进入爱丁堡中学学习14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文，已显露出出众的才华 。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理
。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习 ，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金
，毕业留校任职两年。1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授 。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授
。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》 ，并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授
，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任 ，直到1879年11月5日在剑桥逝世 。

麦克斯韦主要从事电磁理论 、分子物理学
、统计物理学、光学 、力学
、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论
，将电学、磁学 、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果 ，是科学史上最伟大的综合之一
。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证 。他为物理学树起了一座丰碑
。造福于人类的无线电技术
，就是以电磁场理论为基础发展起来的。

麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后 ，坚信法拉第的新理论包含着真理 。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础
”的愿望
，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来
。他在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统
、全面的研究 ，凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文：《论法拉第的力线》（1855年12 月至1856年2月）；《论物理的力线》（1861至1862年）；《电磁场的动力学理论》（1864年12月8日）。对前人和他自己的工作进行了综合概括
，将电磁场理论用简洁、对称 、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写 ，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组 。据此，1865年他预言了电磁波的存在
，电磁波只可能是横波，并计算了电磁波的传播速度等于光速 ，同时得出结论：光是电磁波的一种形式
，揭示了光现象和电磁现象之间的联系
。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦于1873年出版了科学名著《电磁理论》 。系统、全面
、完美地阐述了电磁场理论
。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献，他是气体动理论的创始人之一 。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律 ，从而找到了由微观两求统计平均值的更确切的途径。1866年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法
，这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的
。他引入了驰豫时间的概念，发展了一般形式的输运理论 ，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年引入了“统计力学”这个术语 。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师
，他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪什实验室 ，在他和以后几位主任的领导下
，发展成为举世闻名的学术中心之一
。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思考 ，应用娴熟的数学技巧，从缜密的分析和推理
，大胆地提出有实验基础的假设，建立新的理论 ，再使理论及其预言的结论接受实验检验
，逐渐完善，形成系统 、完整的理论。特别是汤姆孙W卓有成效地运用类比的方法使麦克斯韦深受启示 ，使他成为建立各种模型来类比研究不同物理现象的能手 。在他的电磁场理论的三篇论文中多次使用了类比研究方法
，寻找到了不同现象之间的联系，从而逐步揭示了科学真理
。

麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。

麦克斯韦

父亲的影响

在科学史上 ，一些重大的理论
，常常要靠许多人的前赴后继
、不辞劳苦的努力，才能创立起来 。19世纪 ，导致物理学爆发一场革命的电磁理论的创立
，就是这样的
。从奥斯特、安培发现电流的磁效应开始，经过法拉第的奠基 ，到理论的完成，前后经历了半个多世纪。最后完成这个理论的人
，是英国杰出的数学家物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 。

《论法拉第的力线》这篇论文，虽然基本上是对法拉第力线概念的数学

“翻译 ” ，却是十分重要的一步
。因为麦克斯韦一开始就使用了数学方法
，而且选定了法拉第学说的精髓——力线思想，当做自己研究的起点。这表明麦克斯韦的科学洞察力确实是不同来凡响的 。他认准了主攻方向 ，就坚定不移地研究下去。他后来的一系列论文
，步步深入，都是沿着这条正确道路走的
。这一点 ，是他比汤姆生高明的地方。汤姆生已经走到真理的边缘
，却迟疑不前；麦克斯韦抓住了真理，就锲而不舍 。所以麦克斯韦尽管起步比较迟 ，却第一个登上了光辉的顶峰
。

科学的道路总是不平坦的。正当麦克斯韦的研究很有希望的时候
，一桩不幸的事情打断了他的计划 。一天，他正在埋头研究几篇新近的电学资料 ，邮递员送来一封家信
。他拿到信，一眼看出不是父亲的笔迹
，心头不由一惊。他许久以来担心的事情终于发生了 。父亲年老体弱，健康恶化 ，突然病倒在床
。那封信是父亲请别人代写的。麦克斯韦读完信
，心里十分焦虑和难过 。他对父亲的感情是非常深的
。从幼年起，父亲就是他的良师益友 ，也是整个家庭的支柱。十几年来
，他们朝夕相处，十分融洽 。麦克斯韦离家求学以后 ，他们几乎每天通信
，交换各种科学思想和对社会的见解，也畅谈有趣的日常生活。

为了照顾父亲 ，麦克斯韦只得离开剑桥大学
，到离家比较近的阿伯丁工作
。阿伯丁是英国北部的一个海港，那里的一所学院答应让麦克斯韦担任自然哲学讲师 ，可是需要等一段时间。麦克斯韦整夜守在父亲床前，尽力减轻老人的病痛 。但是不论他怎样小心伺候
，还是没有挡住死神的降临
。1856年春天快要到来的时候，父亲终于离开了人间。这在麦克斯韦生活中 ，无疑是不可弥补的损失 。他悲痛的心情久久不能平息
。

不久
，阿伯丁的马锐斯凯尔学院正式聘请他当自然哲学教授。麦克斯韦在就职以前，回到剑桥大学办理一些事务 ，停留了好几个月 。他当时的心情很矛盾
。对于母校
，他是留恋的，而且父亲已经去世 ，他留在阿伯丁的意义也不大了
，更主要的是他的电磁研究刚刚开始，他不知道在阿伯丁有没有合适的研究条件。但是 ，马锐斯凯尔学院已经给他下了聘书
，据说院长很赏识他，他不好推脱 ，只得上任了 。这一去，他的电磁研究竟推迟了四年
。

法拉第的启发

1860年初夏
，马锐斯凯尔学院的物理学讲座由于某种原因停办了。28的麦克斯韦离开阿伯丁港，到伦敦皇家学院去任教 。他的妻子也随同前往。这次工作调动 ，是麦克斯韦一生事业的转折点
。

在这以前
，还有一段小小的插曲。麦克斯韦最初的母校爱丁堡大学，也要聘请一个自然哲学教授 。他开始是准备去那里的
。应选的一共有三个人 ，另外两个是他在剑桥大学的同学
，其中一个还是中学的同学。三个人里究竟应该取谁，当局决定通过考试来决定 。要是论学问 ，麦克斯韦稳拿第一
，但是比口才，他吃亏了
。考试结果 ，麦克斯韦名列最后
，连主考人对他的讲课能力都表示怀疑。当时一家爱丁堡杂志评论这件事，也很替他惋惜 。俗话说：

“塞翁失马 ，安知非福
”，麦克斯韦没有被爱丁堡大学选中
，自然是件憾事，但是他却因为这个转到了皇家学院 ，完成了一生中最重要的贡献
。

麦克斯韦在阿伯丁的四年时间里
，一直怀着一桩心事，就是想用数学工具表达法拉第的学说。他的这个愿望 ，1855年只开了个头就搁下了 。就是在研究土星的苦战中
，只要见到有关电磁学方面的文章，也都会引起他密切的关注
。他经常给法拉第写信 ，探索电磁的奥秘。他的案头一直摆着《电学实验研究》 。每次打开这部辉煌的巨著
，他的情绪就十分激动。法拉第，这位他当时还没有见过的伟人 ，给物理学描绘了一幅多么形象的图画啊！电 、磁
、光、力线 、波动……在它们背后隐藏着什么规律呢？

麦克斯韦到伦敦以后特地拜访法拉第
。这是一次难忘的会晤。青年物理学家递上名片
，不一会儿，法拉第面带微笑地走了出来 。这位实验大师已经年近七旬 ，两鬓斑白
。他同麦克斯韦一见如故，亲切地交谈起来。

这两位伟人
，他们不但在年龄上相差40岁，而且在性格
、爱好、特长等方面也迥然不同 ，可是他们对物质世界的看法却产生了共鸣 。这真是奇妙的结合：法拉第快活 、和蔼
，麦克斯韦严肃
、机智
。老师是一团温暖的火，学生像一把锋利的剑。麦克斯韦不善于辞令 ，法拉第演讲起来却是娓娓动听 。一个不精通数学
，另一个却对数学运用自如
。两个人的科学方法也恰好相反：法拉第主要是实验探索，麦克斯韦擅长理论概括。可以说 ，他们在许多方面是互相补充的；爱因斯坦曾经把他们称做一对
，说他们就像伽利略和牛顿一样，相辅相成 。麦克斯韦自己也谈到过这一点：“因为人的心灵各有它不同的类型 ，科学的真理也就应该用种种不同的形式表现
，不管它是用具有生动的物理学色彩的定性形式出现，还是用朴素无华的一种符号表示出现 ，它都应该被当做是同样科学的
。”这话自然是对的，字里行间流露出对法拉第的尊敬。不过
，不同的科学方法，发掘科学的深度却常常不同 。法拉第用直观而形象的方式表达的真理 ，麦克斯韦最后用惊人的数学才能把它总结出来
，并且提到理论的高度，所以他的认识就更深刻 ，更透入事物的本质
，因此更带有普遍性。

4年以前，法拉第曾经称赞过《论法拉第的力线》这篇论文 ，他没有料到论文的作者竟这样年轻
。当麦克斯韦征求他对论文的看法的时候
，法拉第说：“我不认为自己的学说一定是真理，但是你是真正理解它的人。 ”

“先生能给我指出论文的缺点吗？
”麦克斯韦谦虚地说 。

“这是一篇出色的论文
。”法拉第沉思地说 ，“但是
，你不应该停留在用数学来解释我的观点，你应该突破它！ ”

法拉第的话像一盏明灯 ，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。他马上用最大的热情投入新的战斗 。

他设计了一个理论模型，试图对法拉第的力线观念作进一步探讨
。这个模型完全建立在机械结构的类比上
，有人称它是“以太模型”，现在看上去既枯燥又很不好懂。一位英国现代科学史家 ，用了整页篇幅也没有说清楚 。事实上
，麦克斯韦在晚期的著作里也舍弃了这个模型
。奇怪的是，麦克斯韦竟把它当作跳板 ，成功地登上了真理的彼岸。

大厦终于落成

在讨论以太模型的时候
，麦克斯韦对自己发现的一个重要事实引起了极大的注意 。他分析了法拉第对电介质的研究以后，确认在电场变化着的电介质中 ，也存在电流
，他把这称做“位移电流
”
。另外，他还计算出这种电流的速度。麦克斯韦惊奇地发现：位移电流的速度恰好等于光速！

这是偶然的巧合吗？天下哪有这样的巧事 。他兴奋得几天都没有睡好觉 ，妻子帮他仔细核对了好几遍
，数据确实没有差错。这意味着他计算出了电磁波的传播速度同光速是相等的，这是个非常了不起的发现 ，尽管他当时还没有完全意识到这一点
。几天后，他写信给法拉第报告了这个结果。他在信里说
，他计算出的电磁波的传播速度是“每秒310740公里”，而“12年以前菲索（1819～1896）用直接实验测定的光速 ，却是每秒314858公里！ ”信寄出的时间是1861年10月19日 。法拉第有没有给他回信
，史料上没有记载
。但是毫无疑问，正是这个发现 ，促使麦克斯韦4年以后断定光就是电磁波。

1862年
，麦克斯韦在英国《哲学杂志》第4卷23期上，发表了第二篇电磁学论文《论物理学的力线》 。文章一登出来 ，立刻引起了广泛的注意
。英国著名物理学家、电子的发现人约瑟夫·汤姆逊后来回忆说：“我到现在还清晰地记得那篇论文。当时
，我还是一个18岁的孩子，一读到它 ，我就兴奋极了！那是一篇非常长的文章
，我竟把它全部抄下来了 。
”

这的确是一篇划时代的论文，它同1855年的《论法拉第的力线》相比 ，有了质的飞跃
。论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译，而是作了重大的引申和发展。其中具有决定意义的一步
，是引进了“位移电流”的概念 。这以前，包括法拉第在内 ，人们讨论电流产生磁场的时候
，指的总是传导电流，也就是在导体中自由电子运动所形成的电流
。麦克斯韦在研究中感到这个旧概念存在很大的矛盾。比如在连接交变电源的电容器中 ，电介质里并不存在自由电荷
，也就是没有传导电流，但是磁场却同样存在 。麦克斯韦经过反复思考和分析 ，毅然指出
，这里的磁场是由另一种类型的电流形成的，这种电流在任何电场变化着的电介质中都存在 ，它和传导电流一起
，形成了闭合的总电流。麦克斯韦通过严密的数学推导，求出了表示这种电流的方程式 ，把它称做位移电流
。

从理论上引出位移电流的概念，实在是电磁学上继法拉第电磁感应以后的一项重大突破。根据这个科学假设
，麦克斯韦推导出两个高度抽象的微分方程式 （方程式直到1865年才最后完善），这就是著名的麦克斯韦方程式 。这组方程式 ，从两方面发展了法拉第的成就
。一是位移电流
，它表明不但变化着的磁场产生电场，而且变化着的电场也产生磁场；二是方程式不但完满地解释了电磁感应现象 ，而且还在理论上进行了总结。就是凡是有磁场变化的地方
，它的周围不管是导体或者电介质，都有感应电场存在 。经过麦克斯韦创造性的总结 ，电磁现象的规律
，终于被他用不可动摇的数学形式揭示出来
。电磁学到这时才开始成为一种科学的理论。

在自然科学史上，只有当某一种科学达到了高峰 ，才可能用数学表示成定律形式 。这些定律不但能够解释已知的物理现象
，而且还可以揭示出某些还没有发现的东西
。正像牛顿的万有引力定律预见了海王星一样，麦克斯韦在《论物理学的力线》中 ，预见了电磁波的存在。他指出，既然交变的电场会产生交变的磁场
，交变的磁场又会产生交变的电场，那么 ，这种交变的电磁场就会用波的形式向空间散布开去 。当时
，麦克斯韦才31岁，这是他一生中最辉煌的一年
。

麦克斯韦继续向电磁学领域的深度进军。1865年 ，他发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》 。论文发表在《伦敦皇家学会学报》上。在这篇重要文献中
，麦克斯韦方程的形式更完善了
。他采用法国数学家 、力学家拉格朗日（1736～1813）和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿（1805～1865）创立的数学方法，由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程 ，电磁波的传播速度根据那个波动方程的系数计算
，正好等于光速！这同麦克斯韦4年以前推算的那个比值完全一样。直到这个时候，电磁波的存在是确定无疑的了！因此他大胆断定 ，光也是一种电磁波 。法拉第当年关于光的电磁理论的朦胧猜想
，就这样由麦克斯韦变成了科学的理论
。法拉第和麦克斯韦的名字，从此联系在一起 ，就跟伽利略和牛顿的名字一样，在物理学上永放光彩。

麦克斯韦在伦敦皇家学院总共任教5年 。这5年是他一生中的多产时期
。除了建立电磁理论以外
，他在分子物理学
、气体动力学上也都有贡献。

1865年，麦克斯韦正式宣布光的电磁学以后不久 ，就辞去皇家学院的教席
，回到他的家乡格伦莱庄园系统地总结研究成果，撰写电磁学专著 。经过几年苦干 ，他写的《电磁学通论》在1873年问世
。这是一部电磁理论的经典著作
，麦克斯韦系统地总结了19世纪中叶前后，库仑、安培 、奥斯特
、法拉第和他本人对电磁现象的研究成果 ，建立了完整的电磁理论。这部巨著的重大意义
，完全可以同牛顿的《数学原理》（力学）和达尔文的《物种起源》

（生物学）相比较，它也是人类智慧的结晶 。

电磁理论的宏伟大厦 ，经过几代人的努力
，巍然矗立起来了！《电磁学通论》的出版成了当时物理学界的一件大事
。当时麦克斯韦已经回到剑桥大学任教，他的朋友和学生对这部书已经期待很久了。人们争先恐后地到书店里去购买 ，第一版几天就卖完了 。

最后的评价

《电磁学通论》虽然一抢而空，但是真正读懂的人却寥寥无几。不久
，就听到有人批评它艰深难懂
。当然，高度抽象的麦克斯韦微分方程 ，毕竟不像 2×2=4那么简单。单是两个公式、几个数学符号
，就包罗了电荷 、电流
、电磁、光等自然界一切电磁现象的规律，这在一般人看来 ，确实是不可思议的 。另外
，还有一个更主要的原因，就是从麦克斯韦宣布他的理论以后 ，一直没有人发现电磁波
。而能否证明有电磁波存在
，是检验麦克斯韦理论的关键。因此许多物理学家都抱着怀疑态度 。就连从前热情鼓励麦克斯韦的威廉·汤姆生，也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠
。

麦克斯韦的电磁理论 ，在物理学上有划时代的意义。遗憾的是
，麦克斯韦本人没有能够证实自己的理论（在一定程度上可以说是“没有去证实 ”） 。这有客观原因，也有主观原因
。由于环境和工作条件的限制 ，麦克斯韦一直没有更多的机会从事电磁实验。热力学和分子物理学的研究，耗去了他大部分时间和精力 。再有
，他主要是个理论物理学家
。就像他的学生弗莱明（1849～1945）后来所说的那样，“他从理论上预言了电磁波的存在 ，但是好像从来没有想到过要用什么实验去证明它。
”法拉第一辈子都没有离开过实验
，可以说没有实验就没有法拉第 。麦克斯韦恰好相反，他只是在伦敦的5年里进行了一些有限的实验 ，而且多半是气体动力学方面的。他的寓所
，靠近屋顶的地方有一间狭长的阁楼，那就是他的实验室
。他的妻子常常给他当助手 ，生火炉
，调节室内温度，条件相当简陋。后来在皇家学院实验室里 ，他作过一些电学实验
，也多只是测定标准电阻这一类工作 。《电磁学通论》完成以后，麦克斯韦忙着筹建卡文迪许实验室 ，整理卡文迪许 （1731～1810）的遗著
。

由于以上这些原因，电磁理论问世以后
，在相当长的时间里没有得到承认。最初只有剑桥大学的一些青年物理学家支持它 。许多人，包括一批有威望的科学家 ，对还没有被证明的新理论
，都采取观望态度
。劳厄（1879～1960）在《物理学史》中曾经这样评论说：“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性，并且和一切经验相符合 ，但是只能逐渐地被物理学家们接受。它的思想太不平常了
，甚至像赫尔姆霍茨和波尔茨曼（1844～1906）这样有异常才能的人，为了理解它也花了几年的力气 。”

几个春秋过去了
。麦克斯韦把他的心血默默地献给了卡文迪许实验室。这座实验室在1872年破土 ，到1874年完工 。修建经费是一位鼓励科学的公爵捐赠的
。为了增添仪器
，麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄。在整个筹建过程中，从设计 、施工
、仪器购置 ，直到大门上的题词
，麦克斯韦都亲自过问 。它是实验室的创建人，也是第一任主任。后来相继接替他的是瑞利（1842～1919）和约瑟夫·汤姆逊 ，汤姆逊以后是卢瑟福（1871～1937），他们都是世界第一流的物理学家
。这座实验室开花结果的时期在20世纪。大批优秀的科学人才
，尤其是原子能物理方面的人才，都是从这里培养出来的 。

麦克斯韦最后几年的主要工作 ，是整理卡文迪许留下的大量资料
。这项由公爵委托给他的任务
，工作相当繁重。卡文迪许是18世纪一位性情怪僻的英国著名物理学家和化学家 。他曾经发现氢气，确实水的化学组成 ，第一个计算地球的质量
，在静电学上也很有研究
。他终身未娶，为人腼腆 ，喜欢离群索居
，死后留下二十多扎没有发表的科学手稿，大多涉及数学和电学 ，其中不少很有价值的东西埋没了几乎半个世纪。整理这些资料是一件非常细致而困难的工作
，麦克斯韦为了完成这项工作，作出了很大的牺牲：他放弃了自己的研究 ，耗尽了精力 。

除了卡文迪许实验室的日常事务以外，麦克斯韦每学期都要主讲一门课
，内容是电磁学或者热力学
。他在讲台上热心地宣传电磁理论，推广新学说。可惜听众不多 。他本来就不善于讲演 ，更何况电磁理论是那样的高深
，同传统的物理学大相径庭呢！1878年5月，他举行了一次有关电话的科普讲演
。电话当时还是新事物 ，刚刚破土而出。1875年贝尔发明电话
，第二年取得专利，1877年爱迪生公布阻抗式送话器 。这些人类电信史上的新发明 ，引起了麦克斯韦莫大的兴趣。可能
，他当时已经预感到，他的理论总有一天会给这些发明插上双翅 ，传遍全球
。

麦克斯韦后期的生活充满了烦恼。他的学说没有人理解
，妻子又久病不愈 。这双重的不幸，压得他精疲力尽
。妻子生病以后 ，整个家庭生活的秩序都乱了。麦克斯韦对妻子一向体贴入微，为了看护妻子
，他曾经整整三个星期没有在床上睡过觉 。尽管这样，他的讲演 ，他的实验室工作
，却从来没有中断过
。过分的焦虑和劳累，终于损害了他的健康。同事们注意到这位无私的科学家在渐渐地消瘦下去 ，面色也越来越苍白 。但是
，他还是那样顽强地工作
。

1879年11月5日，麦克斯韦患癌症去世 ，终年只有49岁。物理学史上一颗可以同牛顿交相辉映的明星陨落了 。他正当壮年就不幸夭折
，这是非常可惜的
。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，可是他的功绩 ，在他活着的时候却没有得到人们重视。麦克斯韦的一生
，是咤叱风云的一生，也是自我牺牲的一生 。这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第 ，直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到
，并且公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家 ”。

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