麥克斯韋（1831-1879）是19世紀(jì)最偉大的理論物理學(xué)家，經(jīng)典電磁場論的奠基人。1831年8月31日出生于愛丁堡，童年時由于受到父親的熏陶，對自然科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。15歲時就初露鋒芒，在英國《愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報》上發(fā)表數(shù)學(xué)論文，這大大地增強(qiáng)了麥克斯韋在科學(xué)上的進(jìn)取心。 1847年秋天，16歲的麥克斯韋考進(jìn)了蘇格蘭最高學(xué)府愛丁堡大學(xué)專攻數(shù)學(xué)物理。在這里他跟凱蘭學(xué)數(shù)學(xué)，跟福布斯學(xué)物理，跟哈密頓學(xué)邏輯學(xué)。三年后，為了進(jìn)一步深造，他轉(zhuǎn)入英才薈萃的劍橋大學(xué)。1852年，麥克斯韋又以優(yōu)異的成績考取了獎學(xué)金，成了劍橋大學(xué)霍普金斯教授的研究生，同時還參加了劍橋大學(xué)著名的斯托克斯（1819-1903）講座。在這兩位數(shù)學(xué)大師的指點下，麥克斯韋進(jìn)步很快，不出三年就掌握了當(dāng)時所有先進(jìn)的數(shù)學(xué)方法，成了一名年輕有為的數(shù)學(xué)家。 麥克斯韋畢業(yè)后留校工作。起初，他研究的課題是光的色散現(xiàn)論，不久，他接受了威廉·湯姆遜（1822-1892）的建議，開始了電磁學(xué)的研究。當(dāng)他讀了法拉第（1791-1867）的《電學(xué)實驗研究》后，立即被書中新穎的實驗和見解所吸引，他迅速以極大的熱情投入了這個大有作為的研究領(lǐng)域。當(dāng)時，電磁學(xué)在實驗研究方面的，四大定律（庫侖定律、高斯定律、安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律）已先后建立，特別是法拉第長期堅持對抗磁體的研究，并于1851年發(fā)表了《論磁力線》一文。這篇文章中蘊藏著朦朧的電磁場論的思想。這些先決條件為麥克斯韋的創(chuàng)造性研究準(zhǔn)備了肥田沃土。 法拉第在《論磁力線》一文中，憑借他豐富的想象力和敏銳的洞察力，提出了非常深刻的“力線”和“場”的思想，但他并沒有把他的理論提高到數(shù)學(xué)的高度，因而很難為一般理論物理學(xué)家所接受，甚至還引起不少非議。麥克斯韋堅信法拉第的新說中一定包含著真理，他認(rèn)真地研究了法拉第的著作后，終于領(lǐng)悟到了力線思想的保貴價值，同時也看到了法拉第定性表述方面的弱點，這位初出茅廬的青年科學(xué)家決心用數(shù)學(xué)來彌補(bǔ)這一切。 1856年，麥克斯韋來到阿伯丁的馬里斯查爾學(xué)院任自然哲學(xué)講座教授；同年，他發(fā)表了電磁場理論方面的第一篇淪文《論法拉第力線》。這篇論文是麥克斯韋把法拉第力線數(shù)學(xué)化的最早嘗試，他依據(jù)類比給出了電場和磁場理論。他的論文開頭這樣說到：“為了不用物理理論而得到思想，我們必須熟悉物理類比的存在。所謂物理類比，我指的是一種科學(xué)的定律與另一種科學(xué)的定律之間的部分相似性，它使得這兩種科學(xué)可以互相說明。于是，所有數(shù)學(xué)科學(xué)都是建立在物理學(xué)定律與數(shù)的關(guān)系上，因而，精密科學(xué)的目的，就是把自然界的問題簡化為通過數(shù)的運算來確定各個量。從最普遍的類比過渡到部分類比，我們就可以在兩種不同的產(chǎn)生光的物理理論的現(xiàn)象之間找到數(shù)學(xué)形式的相似性”。接著，麥克斯韋把法拉第力線、力管和電場強(qiáng)度與流體力學(xué)中的流線、流管和流速進(jìn)行類比，引入一種新的矢量函數(shù)來描述電磁場，把法拉第的思想用數(shù)學(xué)語言表達(dá)，從而導(dǎo)出了電磁場中的力和通量之間的關(guān)系。 法拉第讀完了麥克斯韋的論文后這樣說道：“當(dāng)我看到了數(shù)學(xué)在解釋這個問題時的這種威力時……，一開始我甚至感到驚駭。但后來，看到問題競?cè)绱顺錾亟?jīng)受住了這一切時，我又感驚異”。1857年，法拉第抑制不住激動的心情欣然向麥克斯韋寫了一封長信，對他的論文作出了中肯的評價，并對他的研究工作給予了熱情的鼓勵。 1860年，麥克斯韋應(yīng)邀到倫敦皇家學(xué)院任教，來到倫敦后不久，麥克斯韋特意拜訪了已是倫敦皇家學(xué)院院長的法拉第。這位實驗大師已年近七旬，而麥克斯韋還未到而立之年。雖然兩人年歲相差甚遠(yuǎn)，而且他們的科學(xué)方法截然不同；一個專于實驗，另一個擅長理論。但兩位科學(xué)巨匠對物質(zhì)世界的看法卻產(chǎn)生了共鳴，這使他們相見恨晚。在對電磁理論本質(zhì)規(guī)律的探索中，兩人在許多方面是互補(bǔ)的。愛因斯坦后來把他們倆稱為一對。 法拉第在四年前已經(jīng)拜讀了麥克斯韋的論文，見面后才知道論文的作者如此年輕。當(dāng)麥克斯韋征求這位古稀老人對論文的看法時，法拉第謙虛地說：“我不認(rèn)為自己的學(xué)說一定是真理，但你是真正理解它的人”。他接著又說：“但你不應(yīng)該停留在用數(shù)學(xué)解釋我的觀點，而應(yīng)該突破它”。 這位古稀老人激動的鼓勵，深深地牽動著麥克斯韋的心。經(jīng)過兩年的苦心研究，麥克斯韋于1862年在英國著名的《哲學(xué)雜志》上，以《論物理力線》為題，發(fā)表了他的第二篇電學(xué)研究論文。文章一刊出，立即引起了廣泛的注意。這是一篇劃時代的論文，它與1856年《論法拉第力線》相比有了質(zhì)的飛躍。“渦旋電場”和“位移電流”的概念，是這篇文章的杰出之處。 麥克斯韋為了更好地描述法拉第的力線思想，提出了電磁以太的力學(xué)模型。1861年，他在這個模型的基礎(chǔ)之上，對變化的磁場能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析，認(rèn)為即使不存在導(dǎo)體回路，變化的磁場通過媒介也會激發(fā)一種場，他稱這種場為感應(yīng)電場或渦旋電場。同時麥克斯韋還發(fā)現(xiàn)：在連接交變電源的電容器中，電介質(zhì)內(nèi)并不存在自由電荷，也就是沒有傳導(dǎo)電流，但磁場卻同樣存在。經(jīng)過反復(fù)思考和分析，麥克斯韋毅然指出：這里的磁場是由另一種類型的電流形成的。這種電流存在于任何電場變化的電介質(zhì)中，麥克斯韋把這種電流稱為“位移電流”。 1864年，麥克斯韋向皇家學(xué)會提交了他的第三篇電學(xué)論文《電磁場的動力學(xué)理論》，這篇論文于1865年發(fā)表在《哲學(xué)雜志》上。他在這篇論文中系統(tǒng)地總結(jié)了從庫侖（1736-1806）、安培（1775-1836）到法拉第以及他自己的研究成果，提出了一共包含20個變量的20個方程式，即著名的麥克斯韋方程。他寫道：“我提出的這個學(xué)說可以稱為電磁場理論，因為它關(guān)系到帶電體或磁體周圍的空間。它可以稱為動力學(xué)理論，因為它假定在那個空間存在著運動的物質(zhì)，在這些物質(zhì)中理應(yīng)產(chǎn)生可觀測到的電磁現(xiàn)象”。麥克斯韋就這樣直接地預(yù)言了電磁波的存在。 接著，麥克斯韋從基本方程組導(dǎo)出波動方程，證明了電磁波是一種橫波，并求得電磁波的傳播速度在空氣中等于電量的電磁單位與靜電單位之比，即等于空氣或真空中的光速。他由此得出結(jié)論：“這一速度與光速如此接近，看來，我們有強(qiáng)烈的理由斷定，光本身乃是以波的形式在電磁場中按電磁規(guī)律傳播的一種電磁擾動”。這就是“光的電磁說”。這樣，早先法拉第關(guān)于光的電磁理論的朦朧猜想，由麥克斯韋把它變成了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)推論。 1865年，在他的第三篇電學(xué)論文發(fā)表后不久，麥克斯韋辭去了皇家學(xué)院的教席，來到了格倫奈爾專心于《電磁學(xué)通論》（Atreatise on Electrity and Magnetise）的寫作，準(zhǔn)備對人類近二百年來在電磁學(xué)領(lǐng)域的研究成果作全面的總結(jié)。其中有庫侖、安培、奧斯特、法拉第等人的創(chuàng)造性勞動，也有他本人的開山之功。經(jīng)過幾年的甘苦，《電磁學(xué)通論》的專著終于在1873年問世。這部經(jīng)典著作，以著名的方程組把電荷、電流、電場和磁場間的普遍聯(lián)系完全統(tǒng)一了起來，電磁波傳播的研究和光的電磁理論是這部著作的精髓。在物理學(xué)史上，這一鴻篇巨著可以與牛頓的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》相媲美。這部偉大著作于1881年、1891年相繼再版；其中包含了作者許多保貴的資料和深奧的見解。它對當(dāng)代物理學(xué)家甚至對以后幾代物理學(xué)家來說都是一個偉大而又不易達(dá)到的豐碑。 麥克斯韋電磁理論在他的生前并未得到充分的重視，他在英國的榮譽(yù)亦不及法拉第，他的思想太不尋常了，就象赫姆霍茲曼（1821-1894）和玻爾茲曼（1844-1906）這樣有異常才能的人為了理解它也要花費好幾年的氣力。只到1888年，德國物理學(xué)家赫茲（1857- 1894）用實驗的方法證實了他電磁理論預(yù)言的所有方面，麥克斯韋的理論才得到了普遍的承認(rèn)。 麥克斯韋電磁場理論的建立和證實，無疑是19世紀(jì)物理學(xué)領(lǐng)域最重大的事件之一，它是研究一切電磁現(xiàn)象的出發(fā)點。它以嚴(yán)謹(jǐn)而對稱的數(shù)學(xué)形式歸納了電、磁和電磁輻射之間的最基本關(guān)系，使所有早先建立的定律都包容進(jìn)去，他使人們更深刻地認(rèn)識了光的電磁本性。從根本上改變了人類自牛頓時代以來對世界本質(zhì)的認(rèn)識，引起了物理學(xué)思想領(lǐng)域深刻的變革，并導(dǎo)致了20世紀(jì)初葉狹義相對論的創(chuàng)立。它對整個科學(xué)的發(fā)展，對人類文明的進(jìn)步都具有深遠(yuǎn)的意義。 1879年11月5日，麥克斯韋因肺癌過早地去世。他的一生，不僅在電磁學(xué)領(lǐng)域，而且在熱力學(xué)、天文學(xué)等許多領(lǐng)域都作出了不朽的貢獻(xiàn)，為后人留下了保貴的科學(xué)財富和精神財富。麥克斯韋的名字和牛頓、愛因斯坦一樣，永遠(yuǎn)是近代物理學(xué)發(fā)展的象征。
