詹姆斯·克拉克·麦克斯韦一

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1831一1879

电学、磁学、光学统合第一人

就像爱因斯坦、牛顿和伽利略一样，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦对应用技术的进步并没有做出太大的贡献，因此他在物理学以外的学科里鲜为人知，这并不仅仅因为他是一个理论物理学家，平时很少做实验或从事应用研究，更重要的也许是因为他不像相对论创始人和天体力学的缔造者那样对自然科学的世界观产生如此持久的影响。

■詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。瓷器画，1870年，伦敦，国家肖像美术馆

麦克斯韦发现，光和电磁现象十分相像，几乎可以把两者看成是同一种现象，麦克斯韦的这一发现具有革命性意义。麦克斯韦把当时人们对电磁现象的全部认知统一在他的八个方程中，这八个方程包括了库仑的静电引力和电荷排斥定律、奥斯特的感应定律及法拉第关于电流产生磁场的最新认知，麦克斯韦通过自己的研究丰富和充实了前人的知识，他指出，可变化的电场也会产生磁效应。海因里希·赫兹后来把麦克斯韦的八个方程合并简化为四个方程，并第一次将它们整理记录下来，麦克斯韦的这四个方程即简练又浩瀚，令古今中外的数学家和物理学家为之称奇。麦克斯韦在电学和磁学领域的方程可与牛顿在力学理论中的牛顿方程相媲美。

麦克斯韦方程的一个最重要推论是，电磁现象（即今天人们所说的“电磁场”）的传播速度与光传播的速度完全一样，麦克斯韦因而大胆推测：“毫无疑问，光是由引发电磁现象的同一物质的横向（即垂直于运动方向的）波动构成的。”麦克斯韦虽然无法认识到在真空中传播的现代概念上的电磁场，只能设想电磁场是在一种类似“以太”的物质中传播的，尽管如此，麦克斯韦第一次把光认定为电磁波。麦克斯韦的方程实际上也包括了人眼可看到的波长范围以外也存在电磁波的推论，1887年，海因里希·赫兹对麦克斯韦的方程进行了整理，从而计算并证实了这种人眼可视波长范围以外的电磁波。

获奖的光环

19世纪人们经常为杰出的科学成就颁发特殊奖，奖项往往以专题形式设立。1857年设立的亚当斯奖以土星光环运动的稳定性为主题。麦克斯韦在上大学期间就对此颇有研究，在阿伯丁当教授的前两年也致力于土星光环的研究，他就此写成的一篇论文获得了当年的亚当斯奖。在这篇论文里，他用理论计算证明，土星光环是由无数细小的物质碎片组成的，所以土星光环才可能呈稳定状态（不坠向行星或不被行星甩走）。麦克斯韦当年的理论推测在1980年得到了美国宇航局旅行者1号和2号空间探测器的证实。

■麦克斯韦第一次成功地将电和磁这两个不同的自然现象整合在一起。麦克斯韦《论电与磁》一书的封面，1873年

麦克斯韦的经典著作《论电与磁》  （1873）直到20世纪仍是人们广泛阅读的教科书，这与他至今仍享有崇高的荣誉不无关系。19世纪，人们只知道电磁和地心引力这两种基本自然力，今天，物理学界仍像19世纪一样，渴望能将所有已认知的自然力统一起来，找到一种能统合电磁、地心引力和两种已知的核力的“万物理论”。麦克斯韦在这方面做出了表率，他首次成功地把电和磁这两个当时作不同处理的自然现象整合到一个统一的理论中去，创立了电磁学。

幸运的勤奋者

麦克斯韦曾做过光学和辨色的实验，他发现，所有颜色是由三种基本色彩组成的，人眼也只拥有三种辨色力，为了证实自己的发现，他用三种不同的滤色镜将同一个彩色背景拍下来，然后在观看的时候再将三张用不同滤色镜拍下来的底片叠加在一起，如果他的推论成立，这时就应呈现背景的原来色彩和形状。1861年12月17日，麦克斯韦在伦敦所作的公开演示大获成功。100年以后人们才发现，麦克斯韦的演示在当年的技术条件下本来是不可能获得成功的，因为当时的感光底片对绿色是没有任何感光反应的，但麦克斯韦是一位幸运的勤奋者：他演示中的绿色色彩也许是由紫外线造成的。

■这架诞生于1900年前后的三色投影仪是根据麦克斯韦“所有颜色都源自三种基本色彩（红、绿、蓝）”的理论研制的

当然，麦克斯韦在物理学领域的成就并不局限于电磁学，他在物理学的另一个重要分支领域热力学方面的建树同样意义重大，他的热力学理论使热运动理论取得了最终的突破性进展。当时人们对分子和原子还没有明确的认识，但人们已推测到，所有物质都是由这些微粒组成的。麦克斯韦成功地计算出了这些微粒在气体中的运动，揭示了气体可测变量（如温度和压力）之间的相互关系。他通过静态的方法来研究气体运动现象，提出了微粒分布的假设，在一定温度条件下微粒以一定的速度运动，也就是说相当于他制定了一个微粒运动的速率统计表，例如，从这个表中可以得知速度为500米/秒或600米/秒时运动的微粒的百分比数，这个以他的名字命名的“麦克斯韦速度分布律”以后一直成为物理学一年级学生要学习的内容。麦克斯韦速度分布律第一次使微观未知（单个气体微粒的运动速度）和宏观可测性（气体的能量大小、气体的温度和压力）联系到了一起。静态的计算方法弥补了微观不可知的不足，从而使热运动理论研究摆脱了困境，取得了突破性进展，热力学因此作为一个新兴的分支学科进入了物理学的殿堂。

■詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1861年在伦敦通过三个不同的滤镜（红、蓝、绿）向公众演示由三张反转片叠加而成的彩图

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。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。同时他主要是位理论物理学家，好像很少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，而麦克斯韦则寄情于其理论。但如果以为他只是一个“纸上谈兵”的物理学家的话，就不免有失公正了。在剑桥大学任教时，麦克斯韦为他的学生们创建了著名的卡文迪许实验室，这个实验室当时仅次于威廉·汤姆逊在格拉斯哥大学建立的实验室。除此以外，麦克斯韦在遇到令他吃惊的计算结果时也常设法通过实验来加以验证，他的“三色演示”就是一个最好的例子。特别值得一提的是，麦克斯韦对亨利·卡文迪许未曾发表过的遗稿进行了系统的整理，在整理的过程中，他还重复了许多卡文迪许描述过的试验，最后出版了《尊敬的亨利·卡文迪许的电学研究》一书，该书被电学史家们称为电学史上“史无前例的一章”。

寻找捐助者

麦克斯韦在世时名声并不大，源自1920年的一则报纸广告也证明了这一点，在那则广告中，一位名为詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的先生被请求领取1857年捐资的红利。当时麦克斯韦曾继承了一大笔遗产，所以就捐资兴建阿伯丁市的新市政厅。新落成的市政厅后来也被作为音乐厅使用，因而获利颇丰，为了报答当年的捐助者，市政厅要向他们分发红利，但麦克斯韦一直是“查无此人“，因为他已于1860年悄悄来到伦敦国王学院当教授了。

■麦克斯韦展示的受电流干扰的均匀磁场，麦克斯韦为法拉第“电和磁产生力场”的直觉判断配上了数学公式

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

生平与学术生涯

詹姆斯·克拉克于1831年6月13日出生在苏格兰爱丁堡的一个富裕家庭，父亲是律师。詹姆斯·克拉克出生后不久，父亲就继承了格莱兰尔农场，于是全家就搬到这个辽阔的农场，从那以后，父亲也继承了前农场主的姓麦克斯韦，詹姆斯·克拉克也就成了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。詹姆斯在农场度过了童年，八岁那年，母亲去世，十岁时他就读于爱丁堡学院，十四岁那年他写出了第一篇论文。1847年他开始学习数学和物理，1850年转学到了剑桥大学，在同学中间，他以思维敏捷和变化无常而著称，大家十分佩服他的精神魅力，1854年他完成数学学业，他研究法拉第关于“力线”的理论，于1855年用简单的数学方程式表达了电场和磁场的关系。1856年他为了照顾生病的父亲回到苏格兰，父亲去世后，他成为阿伯丁大学的物理教授，1859年他与物理系主任的女儿凯瑟琳·玛丽·德尤尔结婚，麦克斯韦夫妇没有孩子。1860年获得了伦敦国王学院的物理学讲席职位。这以前，除了电磁学以外，麦克斯韦还研究视觉物理（颜色和生理光学）和土星光环，在伦敦，他继续电磁和气体动力理论的研究。1865年，他回到了格莱兰尔农庄（估计是出于健康的原因），鉴于农庄的可观家产，麦克斯韦在经济上无忧无虑，在以后的几年中，他的划时代电磁著作相继问世。1871年，他成为剑桥大学第一位“卡文迪许物理学教授”（该讲席为纪念物理学家卡文迪许而设），在这里他为学生们建立了著名的卡文迪许实验室，完成了他关于电磁和气体动力理论的论著，并整理出版了亨利·卡文迪许的遗著。以后的几年中，麦克斯韦的身体健康每况愈下（据说他患有胃癌）， 1879年10月8日，年仅四十八岁的麦克斯韦在剑桥去世。

相关知识

麦克斯韦方程

今天，被人们称为麦克斯韦方程的电动力学基本方程是四个电磁场微分方程，它们主要描述了动电荷和静电荷对电磁场的影响程度。在没有电荷的情况下，方程的结果就是电磁波。要精确计算电磁场，就必须确定所研究状态的边界条件，例如，所指定的物体边缘的电磁场消失或“天衣无缝”地相互融合转换。

电磁辐射的伤害

电磁辐射危害主要有以下几种。热效应：人体内70%以上是水，水分子受到电磁波辐射后相互摩擦，引起机体升温，从而影响到身体其他器官的正常工作。非热效应：人体的器官和组织都存在微弱的电磁场，一旦受到外界电磁波的干扰，处于平衡状态的微弱电磁场即遭到破坏，人体正常循环机能会遭受破坏。累积效应：热效应和非热效应作用于人体后，对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到电磁波辐射的话，其伤害程度就会发生累积，久之会成为永久性病态或危及生命。

推荐

阅读：

《法拉第和麦克斯韦对电动力学的贡献》， R. A.Tricker， G. Heber著，Wiesbaden 1974

参观：

英国爱丁堡麦克斯韦故居

网站：

www.clerkmaxwellfoundation.org

点评

在电和磁单项知识的黑暗中终于出现了曙光：麦克斯韦把它们整合成一个统一的理论，这个理论同时也为“光”现象提供了答案。