麦克斯韦与电磁学

第二节　麦克斯韦与电磁学

一、“电磁波之父”麦克斯韦

麦克斯韦

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831～1879）是伟大的英国物理学家，经典电磁理论的创始人。麦克斯韦生于苏格兰爱丁堡。他的智力发育格外早，年仅15岁时，就向爱丁堡皇家学院递交了一份科研论文。他就读于爱丁堡大学，毕业于剑桥大学。他成年时期的大部分时光是在大学里当教授，最后在剑桥大学任教。他结过婚，但没有孩子。一般认为麦克斯韦是从牛顿到爱因斯坦这一阶段中最伟大的理论物理学家。1879年11月5日，麦克斯韦因病在剑桥逝世，年仅48岁。那一年正好爱因斯坦出生。麦克斯韦生前没有享受到他应得的荣誉，因为他的科学思想和科学方法的重要意义直到20世纪科学革命来临时才充分体现出来。然而他没能看到科学革命的发生。

麦克斯韦的父亲约翰是一名不随流俗的机械设计师，他对麦克斯韦的影响非常大。他是长老会教友，但思路开阔，思想敏锐，讲求实际，特别能干。家里的事情，不分巨细，他都料理得很好。修缮房屋、打扫庭院、给孩子们制做玩具，乃至裁剪衣服，他样样都能胜任。1847年，麦克斯韦16岁，他中学毕业后即进入爱丁堡大学学习。这里是苏格兰的最高学府，而他是班上年纪最小的学生，但考试成绩却总是名列前茅。麦克斯韦专攻数学物理，显示出了非凡的才华。他读书非常用功，但并非死读书，在学习之余还写诗，并不知满足地读课外书，积累了相当广泛的知识。

在爱丁堡大学，麦克斯韦获得了攀登科学高峰所必备的基础训练。其中两个人对他影响最深，一是物理学家和登山家福布斯，一是逻辑学和形而上学教授哈密顿。福布斯是一个实验家，他培养了麦克斯韦对实验技术的浓厚兴趣，一个从事理论物理的人很难有这种兴趣。他强制麦克斯韦写作要条理清楚，并把自己对科学史的爱好传给麦克斯韦。哈密顿教授则用广博的学识影响着他，并用出色的怪异的批评能力刺激麦克斯韦去研究基础问题。在这些有真才实学的人的影响下，加上麦克斯韦个人的天才和努力，麦克斯韦的学识一天天进步，他用3年时间就完成了4年的学业，相形之下，爱丁堡大学这个摇篮已经不能满足麦克斯韦的求知欲。为了进一步深造，他征得了父亲的同意，离开爱丁堡，到人才济济的剑桥去求学。

二、麦克斯韦的电磁学研究

（一）科研生涯

1850年，麦克斯韦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，毕业后留校任职两年。1856年，他在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年，他到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。1861年他被选为伦敦皇家学会会员。1865年春，他辞去教职回到家乡，系统地总结了他关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著《电磁学通论》，并于1873年出版，1871年，他受聘为剑桥大学新设立的卡文迪许实验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪许实验室，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。

（二）主要研究领域

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，这种理论预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，他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）。他对前人和自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表示出来，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，他于1865年预言了电磁波的存在，认为电磁波只可能是横波，并计算出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《电磁学通论》，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，他是气体动力学理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律，从而找到了平衡状态下理想气体分子速度的统计规律。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。他引入了弛豫时间的概念，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年他引入了“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许实验室，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。

三、电磁学与《电磁学通论》

（一）麦克斯韦的第一篇电磁学论文

回顾电磁学的历史，物理学的历程一直到1820年的时候仍是以牛顿的物理学思想为基础的。自然界的“力”——热、电、光、磁以及化学作用正在被逐渐归结为一系列流体的粒子间的瞬时吸引或排斥。人们已经知道磁和静电遵守类似引力定律的平方反比定律。在19世纪前40年中，出现了一种反对这种观点的动向，这种观点赞成“力的相关”。1820年，奥斯特发现的电磁现象马上成了这种新趋势的第一个证明和极为有力的推动力，但当时的人又对此捉摸不定和感到困惑。奥斯特所观察到的电流与磁体间的作用有两个基本点不同于已知的现象：它是由运动的电显示出来的，而且磁体既不被引向带电流的金属线，也不被它推开，而是对于它横向定位。同一年，法国科学家安培用数学方法总结了奥斯特的发现，并创立了电动力学，此后，安培和他的追随者们便力图使电磁的作用与有关瞬时的超距作用的现存见解调和起来。麦克斯韦的电学研究始于1854年，当时他刚从剑桥毕业不过几星期。他读到了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。在当时人们对法拉第的观点和理论看法不一，有不少非议。最主要原因就是当时“超距作用”的传统观念影响很深。另一方面的原因就是法拉第的理论的严谨性还不够。法拉第是实验大师，有着常人所不及之处，但唯独欠缺数学功力，所以他的创见都是以直观形式来表达的。一般的物理学家恪守牛顿的物理学理论，对法拉第的学说感到不可思议。有位天文学家曾公开宣称：“谁要在确定的超距作用和模糊不清的力线观念中有所迟疑，那就是对牛顿的亵渎！”在剑桥的学者中，这种分歧也相当明显。汤姆孙也是剑桥里很有见识的学者之一。麦克斯韦对他敬佩不已，特意给汤姆孙写信，向他求教有关电学的知识。汤姆孙比麦克斯韦大7岁，对麦克斯韦从事电学研究给予过极大的帮助。在汤姆孙的指导下，麦克斯韦得到启示，相信法拉第的新论中有着不为人所了解的真理。认真地研究了法拉第的著作后，他感受到力线思想的宝贵价值，也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕业的青年科学家决定用数学来弥补这一点。1855年麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》。

（二）《论物理的力线》和《论电学量的基本关系》

1862年，麦克斯韦完成了论文《论物理的力线》，麦克斯韦的物理力线理论就在于把磁场中的运动这一假说从寻常的物质推广到以太。他考虑了深置于不可压缩流体中涡旋的排列。在正常情况下，压强在各方向是相同的，但转动引起的离心力使每一涡旋发生纵向收缩并施加径向压强，这正模拟了法拉第力线学说中所提的应力分布。由于使每一涡旋的角速度同局部磁场强度成正比，麦克斯韦得出了同已有的关于磁体、稳恒电流及抗磁体之间力的理论完全相同的公式。根据流体的观察实验，麦克斯韦认为各涡旋之所以能沿同一指向自由转动，是因为各涡旋由一层微小的粒子同与它相邻的涡旋隔开，这种粒子与电完全相同。然而麦克斯韦并未满足自己已有的成果而裹足不前，他仍然向电磁学领域的更深处前进。1863年，他在别人的帮助下完成了他的第三篇论文《论电学量的基本关系》，这是麦克斯韦在电学研究中迈出的重要一步，在以往却常常被人忽视。在这篇论文里，他推广傅立叶在热的理论中开始的程序，宣布了同质量、长度、时间有关的电学量和磁学量的定义，即以质量、长度、时间为基本单位定义一组电磁学的单位。

（三）《电磁场的动力学理论》

1865年麦克斯韦发表了第四篇论文《电磁场的动力学理论》。它以实验和几个普遍的动力学原理为根据，证明了不需要任何有关分子涡旋或电粒子之间的力的专门假设，电磁波在空间的传播就会发生。在这篇论文中，麦克斯韦完善了他的方程式。他采用拉格朗日和哈密顿创立的数学方法，由该方程组直接导出了电场和磁场的波动方程，其波动的传播速度为一个介电系数和磁导率的几何平均的倒数，这一速度恰好等于光速。这一结果又再一次与麦克斯韦4年以前的推算结果完全一致，至此电磁波的存在是确定无疑的了。由此，麦克斯韦大胆地断定，光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁论的朦胧猜想，经过麦克斯韦精心的计算而成为科学的推论，法拉第与麦克斯韦的名字，从此像牛顿与伽利略的名字一样，两者联系在一起，在物理学上闪烁着永久的光芒。麦克斯韦在一封信上曾谈及他的这篇论文，他说：“我在完成一篇包含光的电磁理论，在我确信相反的理论产生以前，我认为这个理论是强大的武器。”从1865年开始，麦克斯韦辞去了皇家学院的教席，开始潜心进行科学研究，系统地总结研究成果，撰写电磁学专著。

（四）《电磁学通论》

经过了8年的艰苦努力，1873年，麦克斯韦的一部电磁学专著终于问世了，书名为《电磁学通论》。在《电磁学通论》中，麦克斯韦比以前更为彻底地应用了拉格朗日的方程，推广了动力学的形式体系。这一时期前后，英国和欧洲大陆的数学家中间普遍倾向于更广泛地在物理学问题中使用分析动力学的方法，麦克斯韦的做法与数学家的方法不谋而合。而且他的方法和见地新颖，使很多人为之吸引。麦克斯韦采用风格极为新式的关于项的对称性与矢量结构的论证，以最普遍的形式表示出电磁系统的拉格朗日函数。麦克斯韦对拉格朗日方法的运用，就其几乎是通往物理学理论的一条新途径来说，这是第一次尝试。过了很多年，其他物理学家才充分地运用这一方法来研究电磁学。

麦克斯韦塑像

（五）麦克斯韦方程

麦克斯韦方程是表达电磁基本定律的四元方程组。在麦克斯韦以前的许多年间，人们就对电和磁这两个领域进行了广泛的研究，人们都知道这两者是密切相关的。适用于特定场合的各种电磁定律已被发现，但是在麦克斯韦之前却没有形成完整、统一的学说。麦克斯韦用列出的简短但非常复杂的四元方程组，准确地描绘出了电磁场的特性及其相互作用的关系。这样他就把混乱纷纭的现象归纳成为一种统一完整的学说。麦克斯韦方程在理论和应用科学上都得到了广泛的应用，人们还以发行纪念邮票的方式来纪念它。

四、卡文迪许实验室

麦克斯韦的另一项重要工作是筹建了剑桥大学的第一个物理实验室——著名的卡文迪许实验室。该实验室对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响，众多著名科学家都曾在该实验室工作过。卡文迪许实验室甚至被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。作为该实验室的第一任主任，麦克斯韦在1871年的就职演说中对实验室未来的教学方针和研究精神作了精彩的论述，是科学史上一个具有重要意义的演说。麦克斯韦的本行是理论物理学，但他却清楚地知道实验称雄的时代还没有过去。他批评当时英国传统的“粉笔”物理学，呼吁加强实验物理学的研究及其在大学教育中的作用，为后世确立了实验科学精神。

五、电话的发明

电报传送的是符号。发送一份电报，得先将报文译成电码，再用电报机发送出去；在收报一方，要经过相反的过程，即将收到的电码译成报文，然后，送到收报人的手里。这不仅手续麻烦，而且也不能进行及时双向信息交流。因此，人们开始探索一种能直接传送人类声音的通信方式，这就是现在无人不晓的“电话”。

欧洲对于远距离传送声音的研究，始于18世纪，在1796年，休斯提出了用话筒接力传送语音信息的办法。虽然这种方法不太切合实际，但他赐给这种通信方式一个名字——Telephone（电话），一直沿用至今。

来自卡文迪许实验室的诺贝尔奖得主

（续表）

1861年，德国一名教师发明了最原始的电话机，利用声波原理可在短距离互相通话，但无法投入实用。如何把电流和声波联系在一起而实现远距离通话？亚历山大·贝尔是注定要完成这个历史任务的人，他系统地学习了人的语音、发声机理和声波振动原理，在为聋哑人设计助听器的过程中，他发现电流导通和停止的瞬间，螺旋线圈发出了噪声，就是这一发现使贝尔突发奇想——“用电流的强弱来模拟声音大小的变化，从而用电流传送声音。”从这时开始，贝尔和他的助手沃森特就开始了设计电话的艰辛历程，1875年6月2日，贝尔和沃森特正在进行模型的最后设计和改进，测试时，沃森特在紧闭了门窗的另一房间把耳朵贴在音箱上准备接听，贝尔不小心把硫酸溅到自己的腿上，他疼痛地叫了起来：“沃森特先生，快来帮我啊！”没有想到，这句话通过他实验中的电话传到了在另一个房间的沃森特的耳朵里。这句极普通的话，也就成为人类第一句通过电话传送的话音而记入史册。1875年6月2日，也被人们作为发明电话的伟大日子而加以纪念，而这个地方——美国波士顿法院路109号也因此载入史册，至今它的门口仍钉着块铜牌，上面镌有：“1875年6月2日电话诞生在此。”1876年3月7日，贝尔获得发明电话专利，专利证号码“NO：174655”。1877年，也就是贝尔发明电话后的第二年，在波士顿和纽约架设的第一条电话线路开通了，两地相距300千米。也就在这一年，有人第一次用电话给《波士顿环球报》发送了新闻消息，从此开始了公众使用电话的时代。一年之内，贝尔共安装了230部电话，建立了贝尔电话公司，这是美国电报电话公司（AT＆T）前身。

电话传入中国，是在1881年，英籍电气技师皮晓浦在上海十六铺沿街架起一对露天电话，付36文制钱可通话一次，这是中国的第一部电话。1882年2月，丹麦大北电报公司在上海外滩扬于天路办起中国第一个电话局，用户25家。1889年，安徽省安庆州候补知州彭名保，自行设计了一部电话，包括自制的五六十种大小零件，成为中国第一部自行设计制造的电话。最初的电话并没有拨号盘，所有的通话都是通过接线员进行，由接线员将通话人接上正确的线路。拨号盘始于20世纪初，当时美国马萨诸塞州流行麻疹，一位内科医生因担心一旦接线员病倒会造成全城电话瘫痪而发明了拨号盘。在中国20世纪70年代以前留下的影像纪录中，我们还能看到使用干电池为动力，没有拨号盘的手摇电话机。

据2012年5月的一篇报道，有调查机构表示，全球的电话普及率已达到了100％，这意味着电话用户数已达69.2亿（即当时人口数）。电话已成为我们生活不可或缺的一部分。

谁是电话真正的发明者

关于电话的发明，我们还应该想到另一个默默无闻的意大利人，1845年移居美国的安东尼奥·梅乌奇。梅乌奇痴迷于电生理学研究，他在用电疗给患者治疗时发现电波可以传输声音。1850年至1862年，梅乌奇制作了几种不同形式的声音传送仪器，称作“远距离传话筒”。可惜的是，梅乌奇生活潦倒，无力保护他的发明。当时申报专利需要交纳250美元的申报费用，而长时间的研究工作已经耗尽了他所有的积蓄。梅乌奇的英语水平不高，这也使他无法了解该怎样保护自己的发明。随后，命运又给了梅乌奇一个更大的打击。1870年，梅乌奇患上了重病，不得不以区区6美元的低价卖掉了自己发明的通话设备。为了保护自己的发明，梅乌奇试图获取一份被称作“保护发明特许权请求书”的文件。为此他每年需要交纳10美元的费用，并且每年需要更新一次。3年之后，梅乌奇沦落到靠领取社会救济金度日，付不起手续费，请求书也随之失效。

1874年，梅乌奇寄了几个“远距离传话筒”给美国西联电报公司。希望能将这项发明卖给他们。但是，他并没有得到答复。当请求归还原件时，他被告知这些机器不翼而飞了！两年之后，贝尔的发明面世，并与西联电报公司签订了巨额合同。梅乌奇为此提起诉讼，最高法院也同意审理这个案件。但是，1889年梅乌奇过世，诉讼也不了了之了。

直到2002年6月15日，美国议会通过一项议案，认定安东尼奥·梅乌奇为电话的发明者。如今在梅乌奇的出生地佛罗伦萨有一块纪念碑，上面写着“这里安息着电话的发明者——安东尼奥·梅乌奇”。