用数学推动电磁理论发展-《世界100位科学家》

用数学去推动电磁理论的发展[英国]麦克斯韦(1831～1879)

物理学的发展冲击着地球上几乎所有居民的生活。今天，当我们打开彩色电视机时，我们不应该忘记麦克斯韦，他承前启后，在法拉第研究的基础上，于1865年提出的电磁理论导致20年后赫兹发现无线电波；他确定了彩色照相原理，并于1861年映示了第一张彩色照片。但是，麦克斯韦这位被誉为自牛顿以来世界上最伟大的数学物理学家，在当时并未享有应有的盛名。

傻瓜麦克斯韦

詹姆斯克拉克麦克斯韦(JamesClerkMaxwell)是英国物理学家和数学家。他是佩尼奎克的克拉克家族的后裔。1831年6月13日，麦克斯韦出生在英国的爱丁堡。在他9岁时，母亲便离开了人间。童年时代的麦克斯韦迟钝寡言，略显孤独，但对技术却表现出极大的兴趣，渴望理解周围的世界。学问渊博、富有创造精神的父亲，对各种自然科学和技术问题怀有浓厚的兴趣，这一点深深地影响了麦克斯韦。虽然如此，在母亲去世以前，麦克斯韦的教育一直全由她承担。她教他读书，鼓励他对各种事物的好奇心，对他惊人的记忆力引以为豪。他刚8岁时，就能背诵米尔顿的几节长诗，熟记第119篇赞美诗的全部176行诗句。因此，母亲的去世带给小麦克斯韦的不仅是情感损失，还有继续教育上的麻烦。在随后的两年里，父亲曾试用过一位家庭教师，但结果却异常糟糕。

在风景优美的苏格兰盖洛韦镇度过了一生中的第一个10年后，麦克斯韦便被送进了爱丁堡公学。在以后的8年里，麦克斯韦往来于住在格伦莱尔的父亲和住在爱丁堡的姑母或姨妈之间，过着一种不安定的生活。在爱丁堡公学，外乡人麦克斯韦遭遇了世俗的偏见。他来到学校，操的是外乡口音，穿的衣服和鞋子是父亲设计的，于是在学生中引起阵阵嘲笑，并且落得一个傻瓜的绰号。然而很快，行为古怪却好强的他用拳头赢得了尊重。

在学业上，由于爱丁堡公学是一所按照英格兰的方法向苏格兰青年提供正统教育的学校，年幼的麦克斯韦不可避免地处于两种教育思想的紧张状态之中，这种状态甚至深刻地影响了他毕生的事业。在这所学校的头三年里，他的表现虽不显眼却已有了些可喜的创见，特别是对几何学发生了浓厚的兴趣。在15岁的时候，他突然写出一篇有关卵形曲线的数学论文并因父亲朋友的引荐而发表，出色地显示了他的数学天才，从此进入爱丁堡的学术界。

1847年，麦克斯韦考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学。他在班上年纪最小，却是成绩最出众的学生。尽管他平时沉默寡言，但在课堂上，只要一触及数学问题，他的思维便异常活跃，常常对老师的讲授提出质疑，并有独到见解。第二年，他又在爱丁堡皇家学会学报上发表了两篇数学论文。到了第三年，他觉得这里已不能适应自己进一步深造的需要，于是在父亲的帮助下，进入了举世闻名的剑桥大学学习。

剑桥的生活紧张又富有挑战性。人校后，麦克斯韦便开始准备数学荣誉学位考试，后来获得了这场竞赛的最高荣誉。他在彼得豪斯学院过了一个学期，接着转到三一学院，又于次年成为地球物理学家霍布金斯私人班级的第15名学生，很快被引起重视。在霍布金斯的严格训练下，麦克斯韦打下了扎实的数学基础。霍布金斯把数学作为科学武器的思想也深刻地影响了麦克斯韦，使麦克斯韦在广阔的物理学领域找到了数学天才的用武之地。4年后，麦克斯韦以数学学位考试甲等第二名的优异成绩毕业，获得了第一个学位。

把数学作为武器

1855年，麦克斯韦从剑桥大学毕业后，留校成为三一学院的研究员，仍然寄宿在校内。在剑桥，他把数学运用于物理学，专心致志地研究理论力学和应用力学、光学、有色视觉生理学。他出色地揭开了土星光环之谜，用数学方法论证了光环是由无数单个微粒构成的小行星带。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，这种自信对他以后的工作来说至关重要。

在1859年9月21日的不列颠促进科学进步协会上，麦克斯韦做了题为《关于气体动力理论的说明》的报告，提出了著名的分子运动速度分布律，纠正了前辈学者在这方面的错误。贝努利和克劳修斯曾认为，在一定温度下的气体，所有分子的平方速度都是相同的。但麦克斯韦得出结论说：微粒运动速度分布律与最小二乘法理论的观察误差律相同，即符合高斯的统计学。这个报告初次把统计学用于描述物理现象，标志着新的科学发展时期的来临。(www.xing528.com)

麦克斯韦几乎毕生都在有计划地、一步一步地发展着关于电磁场的杰出思想，使之达到完善的程度。早在读大学时，麦克斯韦便被法拉第的《电的实验研究》所深深吸引，最早认识到法拉第的理论的独创性，意识到法拉第在描绘力学图景时解决电动力学问题的方法。但是，法拉第虽然发现了电磁感应定律，揭示了电与磁的相互联系与转化，但没有给出一个综合的、统一的理论。这与法拉第本人在数学方面的缺陷有关。他没有受过数学训练，缺乏数学技巧，因而不能把电学思想用严密的数学公式表达出来。麦克斯韦悟出了法拉第电学思想的科学价值，决定用数学方法研究法拉第的数学假设，弥补法拉第电磁学说在表述方面的弱点。他效法法拉第设计了力线的流体动力模型，广泛应用力学类比，把法拉第关于力线的思想表述为一个矢量微分方程，为确立力线在物理学中的地位起了十分重要的作用。这一阶段的研究成果反映在他的《论法拉第的力线》一文中。

1860年，麦克斯韦特意去拜访了他崇拜已久的实验大师法拉第。在法拉第的寓所，麦克斯韦得到了法拉第的赞扬和鼓励，更加坚定了他突破现有模式的信念。

麦克斯韦设计了一个法拉第力线研究理论模型，从力线学说研究人手，深入探究场的理论。他从变化着的场产生另一个场的事实中推断出，变化的电场在其附近产生一个磁场，这个变化的磁场又在稍远一点产生电场，如此继续下去，就得到一个电磁的振荡着的场，不断地向空间扩展，这就是电磁波。麦克斯韦还应用应力、变形、压力、涡动及其他概念，得出了当时尚未成体系的方程式，并且在观察电解质中的电现象时提出了关于位移电流的著名假设，于1862年发表了第二篇电磁论文《论物理的力线》，从理论上预见了电磁波的存在。

1864年，麦克斯韦出版了《电磁场的动力学理论》一书，把电磁场明确地定义为是一种物质，并运用矢量分析和微分方法，把它的全部表现形态用20个带可变数的方程式表述出来。后来，英国人亥维赛和德国人赫兹用这些方程式建立了精密的麦克斯韦方程组。通过方程组，可导出一系列不同波长和频率的电磁波，并由于波长的量变引起了波特性和功能的质变。诸如在这之前就已发现的红外线、可见光、紫外线，在这以后陆续被发现的x射线、微波和超短波、中波、长波等无线电波，都属于电磁波，都可以从这组奇妙的方程中找到各自的位置。正因为如此，1864年被确定为电磁场理论的诞生年。麦克斯韦在世时，电磁场理论没有得到公认。人们认为这一理论难以理解，数学表述也不严密，逻辑论证不足。其实，还有一个原因是，他出身贵族，继承的社会地位使他脱离了一种为追求科学声望的世俗冲动，还有谦虚与自负交织的性格也使他满足于改变物理学而不向全世界公布这一事实。在经过后辈科学家的努力之后，科学界才承认麦克斯韦是19世纪的杰出科学家，大众才意识到他的研究给当今生活带来了极大的便利!

创建卡文迪许实验室

由于健康情况恶化，麦克斯韦决定停止教学工作并离开伦敦。从1865年起，他埋头自己的庄园，用了整整7年时间写成后来成为新学说圣书的两卷本《论电和电磁》，它与牛顿的《数学原理》及达尔文的《物种起源》相比毫不逊色。

然而，归隐庄园后的他并不能独得清闲。1871年，剑桥大学诚邀麦克斯韦到实验物理教研室任教，为教研室筹建一个科学研究实验室。经过一段时间的踌躇，他接受了邀请。在随后的日子里，麦克斯韦把全部精力都用于创建这个为纪念卡文迪许而以他名字命名的第一流的物理实验室上，直到生命终止。这个实验室在20世纪初培养了大批核物理学方面的优秀人才。即使在20世纪80年代以来，这个实验室仍处于物理科研前列，完成了一系列晶体物理成分和蛋白质物理成分的探索工作，取得了显著的成就。

麦克斯韦的多方面科学活动还有一个表现，那就是对自然科学史的酷爱。在剑桥，他重新发现了实验科学家卡文迪许的价值。在研究了卡文迪许的手稿后，他向世界公布了这样一个秘密：这位卓越的实验科学家，比库伦早许多年就已经得出了著名的库伦定律的定义，仅是坚持不愿发表自己的观点而已。因此，从某种意义上说，没有麦克斯韦，卡文迪许的出头之日就会延期。

筹建卡文迪许实验室的工作繁重而琐碎，麦克斯韦常被搞得身心交瘁。1879年11月5日，正处生命和学术英年的麦克斯韦撇下心爱的科学事业，离开了人间。这位在物理学史上与牛顿、爱因斯坦齐名的科学巨匠的去世，给现代物理学带来的损失是无法估量的。

麦克斯韦不是一个孤立的杰出人物，而是一位属于并能适应急剧变化时代的人。这位天才的数学家和物理学家，用数学作为科学武器，把电磁理论用简洁优美的麦克斯韦方程表达了出来，建立了电磁学理论体系。此外，他还将这个理论付诸实施，为人类进步贡献了毕生精力，并产生了重大影响。正是乐观而勤奋的他建立的电磁场理论，导致了无线电波的发现，才给生活在今天的我们带来了极大便利。