
如果我通过所写的任何东西可以帮助任一学生理解法拉第的思想模式和表达模式,我就将认为那是我的主要目的之一的得以完成。
曾有人说,在理论物理学的英雄榜上,麦克斯韦应该能进前三,另两位是牛顿和爱因斯坦。他的《电磁通论》完成了物理学自牛顿之后的第二次大一统。

《电磁通论》
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,1831年出生于苏格兰爱丁堡,1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理,1850年转入剑桥大学继续深造,1860年担任伦敦国王学院的自然哲学和天文学教授。1865年,他辞去教职,回家专心研究电磁学。1873年,《电磁通论》横空出世,被认为是继牛顿《自然哲学的数学原理》之后,最重要的物理学经典。它为狭义相对论和量子力学奠定了理论基础。巧合的是,1879年,麦克斯韦去世,正是在这一年,物理学巨子爱因斯坦诞生。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831—1879)
曾有人这么评价麦克斯韦:他可以说是科学史上一个非常可爱的人,一个愿意真诚地给朋友死去地小狗写吊唁信的人,一个先后耐心护理自己垂死的父亲和妻子的人,并且经常牺牲自己的时间到为手艺人开设的新型“工人大学”里当志愿者,你怎么会不喜欢这样一个人呢?
18、19世纪,是物理学大突破的世纪,天才辈出。在麦克斯韦之前,人们就已经开始了对电磁现象的研究。1785年,库伦在扭秤实验的基础上,提出了说明两个点电荷之间相互作用力的库仑定律。1820年,奥斯特通过著名的“奥斯特实验”发现电流能使小磁针偏转,把电与磁联系了起来。安培研究了磁场方向与电流方向之间的关系,提出安培定律。1831年,法拉第通过实验提出电磁感应定律。可以说,物理学的进展也急迫地呼唤巨人把它们统一起来。
在《电磁通论》中,麦克斯韦用它独特精深的数学语言建立了一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的微分方程组,即“麦克斯韦方程组”,被人们称为世界上最伟大的公式之一。这一组方程组为:
- 电场的高斯定律:反映了静电场是有源场的特性,描述了电场的性质。
- 磁场的高斯定律:反映了磁场是无源场的特性,描述了磁场的性质。
- 法拉第定律:描述了磁场随时间变化可以激发出一个围绕磁场的电场。
- 麦克斯韦-安培定律:描述了电场随时间变化可以激发一个围绕电场的磁场。
这四个公式揭示了电场与磁场不是彼此孤立存在的,而是有着相互转化的关系。变化的电场激发涡旋磁场,变化的磁场激发涡旋电场,证实了电磁波可以自我维持的传播在空间中。
任何一个人,第一次看到如此对称优美的方程组时,一定会深深地臣服于麦克斯韦所做的工作,人类再一次用严谨的数学语言将物理奥秘统一起来了,它仿佛是大自然借麦克斯韦之口向世人展现自己的精巧!
麦克斯韦的电磁理论跳出了牛顿经典力学框架的束缚。在数学上,当时的矢量运算还没有定型,他开创性地使用矢量偏微分运算进行论证;在物理上,他没有把“力“作为研究对象,而是对法拉第的”场“进行了充分的研究。这种独立勇敢的科学态度为世人惊叹,但也因此,他的伟大理论在当时曲高和寡。直到他去世近10年以后,赫兹用实验方法产生和检测到了电磁波,证实了麦克斯韦的预见,人们才开始瞩目他的电磁理论。
科学的美妙在于现象与规律的统一,更在于普适的规律带给这个世界不可思议的改变。麦克斯韦的工作就是这般美妙,他基于对庞杂的具体现象的非凡把握,运用数学工具对一般原理进行了超越性的深刻洞察,建筑了电磁学的宏伟理论大厦,为人类打开了现代文明的大门。20世纪初,开尔文曾宣称:“科学的大厦已经建成,后辈物理学家能做的仅仅是一些零星的修补工作。”
【名家评论】
麦克斯韦在完成他的伟大工作之后,完全可以说一句:“要有电和磁,于是便有了光。”
——(美)理查德·费曼
【扩展阅读】
(英)巴兹尔·马洪著,肖明译《麦克斯韦:改变一切的人》,湖南科学技术出版社,2011
曹天元著《上帝掷骰子吗:量子物理史话》,辽宁教育出版社,2006