中外科学家发明家丛书:麦克斯韦_2-第4章
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年，他曾对汤姆逊说过，对流线与电力线之间类比的严格论述，只不过会引
入传导的极端形式而已。麦克斯韦作出了在空间中传播电的图象，他通过使
涡旋介质成为弹性介质的方法，提出了更好的描述，这些一部分来自于法拉
第的科学观念启示；但麦克斯韦在研究的同时，也发现其中存在有很多矛盾。
在以前，包括法拉第等许多人在内，人们在研究电流产生磁场时，指的总是
传导电流，也就是在导体中自由电子的运动所形成的电流。麦克斯韦发现，
例如在连接变电源的电容器中，电介质内并不存在自由电荷，也就是没有传
导电流，但磁场却同样存在。麦克斯韦经过反复思考、计算和分析，他得出
了两个惊人的结果。一是既然导体周围的电粒子现在能作弹性位移，那么变
化着的电流就不再象管中的水那样是完全被约束的：它在某种程度上来说进
入了金属线周围的空间。这也就是麦克斯韦对位移电流的最初认识。二是经
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过缜密的运算，他认为电磁速度量纲几乎与光速相同。
从理论上引出位移电流的概念，是法拉第在电磁学上发现电磁感应后的
又一重大突破。根据这一科学假设，麦克斯韦导出了两个非常复杂、抽象的
微分方程式，在后来经过完善后，被称为麦克斯韦方程组。这组方程，从两
方面发展了法拉第的成就，一是位移电流，它表明不仅变化的磁场产生电场，
而且变化的电场也产生磁场；二是方程不仅完满地解释了电磁感应现象，还
进行了理论推广，也就是凡是有磁场变化之处，其周围不论是导体或电介质，
都有感应电场存在。
在《论物理的力线》一文中，麦克斯韦对前人的工作进行了创造性总结，
电磁现象的规律，经过法拉第的实验研究、汤姆逊的类比研究，终于被麦克
斯韦用不可动摇的严密的数学形式揭示出来。电磁学至此才开始成为一种科
学的理论。
在自然科学的历史上，一般只有当某一科学发展到了高峰，才可能用数
学公式表示成定律的形式。这些定律不仅能解释已知的物理现象，还可以揭
示出某些尚未发现的东西。正如牛顿的万有引力定律在后来被人们所引用发
现了海王星一样，麦克斯韦在《论物理的力线》一文中，预见了电磁波的存
在。他指出，既然交变的电场会产生交变的磁场，而交变的磁场又会产生交
变的电场，这种交变的电磁场就会以波的形式向空间散布开去。麦克斯韦的
这篇论文，终于突破了法拉第的力线思想，作出了属于他的辉煌理论。这一
年，他只有31岁。
然而麦克斯韦并未满足自己已有的成果而举足不前，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、时间度有关的电学量和磁学量的定义，以便于提供对那种
二元的电学单位制的第一个最完整透彻的说明。他引入了成为标准的记号，
把量纲关系表示为用括弧括起来的质量、长度、时间量度的幂 （音mì）的乘
积，带有各自的无量纲的乘数。在这一年，麦克斯韦已经找到了在电磁量与
光速之间的一个纯唯象性质的环节。
1865年，他发表了第四篇论文《电磁场的动力学理论》，为解决与光速
之间的纯唯象问题提供了一个新的理论框架。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导磁系数的几何
平均的倒数，这一速度正当等于光速。这一结果又再一次与麦克斯韦四年以
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
韦大胆的断定，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，
经过麦克斯韦精心地计算而变成为科学的推论，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，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
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究，系统地总结研究成果，撰写电磁学专著。
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六、 《电磁学通论》
经过了八年的艰苦努力，1873年，麦克斯韦的一部电磁学专著终于问世
了，书名叫作《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。通过把这种流行的研究倾向动用于电磁学，他使时尚变成了他特有的结
果。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领域。
在《电磁学通论》中，麦克斯韦用了一章的篇幅专门来谈磁光效应。因
为他卓有成效地应用了对称性的考虑，他就使汤姆逊1856年作出的论证有了
一个坚实的严格的基础，并且证明凡是对偏振光平面旋转的动力学解释都必
定依靠磁场中的局部旋转。在后来的理论中，磁感应强度是一个轴矢量，而
物质中的电子则绕外加场进行运动：这些是分子涡旋假说背后的真理部分。
独具匠心的是，麦克斯韦并没有使自己的思考局限于一般的对称性论证上，
他通过试图想出反例的办法来检验这一理论，他曾说：“我也已尝试了除我
已宣布的那些假说以外的许多重要假说来解释磁光效应，并且对于可能产生
旋转的条件正好被一开始未看到的其他条件推翻的情况感到惊愕。”
在《电磁学通论》中，麦克斯韦在完成了动力学类比之后的下一步是导
出一组描述电磁场的8个方程式。这组方程式是按照《电磁学通论》中所采
用的形式，列出在带有辅助方程的表格中。这些方程式所体现的原理是：电
磁过程是由各个电荷或磁化体各自独立地对周围空间作用传递的，而不是由
直接的超距作用传递的。关于运动的带电体之间的力的公式确实可以从麦克
斯韦方程中推导出来，但该作用并不是沿着它们的连线，因此，只要考虑到
同场之间的动量交换，它就能同动力学原理调和一致。
麦克斯韦叙述道：这些方程式是可以精简的，但“在我们进行探究的这
个阶段，去掉一个表达有用的量，是得不偿失的。”后来他在他的第五篇主
要论文中，也就是他1868年的《关于光的电磁理论的注释》中，他简化了这
些方程组。
《电磁学通论》是一部经典的电磁理论著作，在这本大部头的著作中，
麦克斯韦系统地总结了人类在 19世纪中叶前后对电磁现象的探索研究轨
迹，其中包括库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的不可磨灭的功绩，更为细
致、系统地概括了他本人的创造性努力的结果和成就，从而建立起完整的电
磁学理论。这部巨著有着非同小可的历史意义，可与牛顿的《数学原理》（力
学）、达尔文的《物种起源》（生物学）相提并论。从安培、奥斯特，经法
拉第、汤姆逊最后到麦克斯韦，通过几代人的不懈努力，电磁理论的宏伟大
厦，终于建立起来。
这本书的出版，理所当然地成了物理学界的一件大事，当时麦克斯韦只
有42岁，已经回到剑桥任实验物理学的教授。人们早已通过他以前的几篇卓
有见地的论文而熟识了他，他的朋友和学生以及科学界的人士对他的这本书
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更是期待已久，争相到各地书店去购买，以求先睹为快，所以书的第一版很
快就被抢购一空。
《电磁学通论》一书虽然被一抢而空，但真正能够理解书中所述理论的
人却寥若星辰。过了一段时间，便有人发表文章，批评书的内容艰深难懂。
在科学的道路上，这一切都是正常的，特别是高度抽象的麦克斯韦微分方程，
毕竟不是1＋1=2这样的简单加法。仅仅用两个公式，几个数学符号，就包含
了电荷、电流、电磁、光等自然界的一切与电磁有关的现象和规律，这在一
般人的眼中和脑中，的确是不可思议的事情。另外，还有一个更主要的原因，
那就是在麦克斯韦宣布了它的理论之后，一直还没有人真正发现电磁波，这
使得他的理论更加陷入抽象。能否证明有电磁波存在，成了检验麦克斯韦理
论的关键。所以许多物理学家都对此持怀疑态度，甚至连当年曾给予过麦克
斯韦帮助的汤姆逊，也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可信。
麦克斯韦的电磁理论，对物理学的贡献是超越时代的。但是，我们前面
说过，麦克斯韦是一个思维跳跃性很大的人。在工作和科学上，他涉及的面
也很广泛，在作出理论之后，他本人并没有再去深入钻研，去通过实验来发
现电磁波，证实自己的理论。70年代以后，特别是他任剑桥实验物理学教授
以后，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
学实验，而与此同时，他把大量的时间和精力，投入到热力学和分子物理学
的研究中。另外，麦克斯韦在物理学史上，是一名理论物理学家，正如他的
学生弗莱明后来对他的评价：
“他从理论角度预言了电磁波的存在，但似乎从未想过要用任何实验去
证明它的存在。”麦克斯韦与法拉第不同，这一点我们前面已经谈过，法拉
第一生都在从事着实验研究，可以说没有实验就没有法拉第的成就；而麦克
斯韦截然不同，他在伦敦国王学院五年间，仅从事过一些有限的实验研究，
而且大多是气体动力学方面的。在他的住所屋顶，有一间狭长的阁楼，那是
他的实验室，里面设备相当简单、陈旧，他的妻子常常为他当助手，生火炉，
用以调节室温，从事气体功力学实验。
由于以上的种种原因，电磁理论在诞生以后，有相当长的一段时间没有
得到承认，最初只有剑桥大学的一些青年物理学家支持这个理论。大多数人，
包括很多卓有成就，在物理学界颇具威望的科学家们，都对未经过证明的新
理论持怀疑态度，一方面，麦克斯韦的理论完美可靠，运算缜密；另一方面，
当时还没有人发现或测定确实有电磁波的存在，于是多数人都只是观望。劳
厄在著述《物理学史》中曾对此作出评论道孙：
“尽管麦克斯韦的电磁理论具有内在的完美性，并和一切实际经验相符
合，但它也只能逐步为物理学家们所接受。他的思想太不同寻常，甚至象赫
尔姆霍茨和波尔兹曼这样有异常才能的人，为了理解电磁理论也用去了好几
年的功夫。”
在麦克斯韦生命的最后几年，他把全部精力都花在了卡文迪许实验室的
建立工作上。从1871直至1879年他去世，麦克斯韦埋头于剑桥，一面建立
卡文迪许实验室，一面进行整理卡文迪许遗著的工作。1872年，这座实验室
破土动工，1874年竣工，修建经费是由一位鼓励科学事业的公爵捐赠的。麦
克斯韦和剑桥的几名科学家建筑师一起对卡文迪许实验室进行了非常详尽的
设计、使这座实验室体现出许多独创的特征：它有宽敞的走廊和楼梯，因为
实验室需要很大的水平距离和垂直距离；一个无铁的磁测量室，里面装有放
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置灵敏仪器的抗震桌，这些抗震桌又用从屋顶支架上垂下的钢琴弦维系
着……在建造过程中，从建筑设计，到工程施工、仪器购置，乃至大门上的
题词，麦克斯韦都亲自过问。1876年以后，为了维持实验室的运转，麦克斯
韦还把自己的大量积蓄拿出来，用以添置设备。麦克斯韦是卡文迪许实验室
的创建人，也是第一任主任，后来接替他工作的，有约瑟夫·汤姆逊，而后
是卢瑟福，这些人都是后世鼎鼎大名的第一流物理学家。这座实验室在 20
世纪，特别是在原子科学领域，培养出一大批优秀的科学人才。与建立实验
室的工作同步，麦克斯韦在生命的最后几年中，从事着整理卡文迪许遗稿的
工作。这也是那位公爵委托给他的任务。卡文迪许是18世纪一位性格孤僻的
英国科学家，氢气就是他所发现的，水的化学成份也是他确定的，他还是第
一个计算地球质量的人，在静电学上也很有研究。这个人终身未娶，为人腼
腆，喜欢离群索居，在死后，留下了20多扎没有发表的科学手稿，大多是涉
及数学和电学的，其中有很多有价值的东西被埋没了几乎半个世纪。整理这
些科学资料，是一项非常必要而又细致的艰难的工作，麦克斯韦在这项工作
上倾注了大量心血，作出了很大的牺牲，甚至放弃了自己的科学工作，耗尽
了精力，终于使这笔宝贵的科学遗产免于埋没。
除了卡文迪许实验室的日常工作，麦克斯韦在剑桥每个学期还要担任一
门课程的教学工作，内容是电磁学和热力学。于是课堂成了他传播自己理论
的讲坛。他利用讲台，热心地宣传电磁理论，推广新的学说。可惜的是，他
的听众并不多。他本身就不是一个善于讲演的讲师，更何况他所讲述的电磁
学理论与当时的传统物理学大相径庭，而又如此高深。
1878年5月，他曾举行过一次有关电话的科学普及演讲，电话是当时的
一个新生事物。1875年，贝尔发明电话，次年取得了专利；1877年，爱迪生
发明了“炭纽”送话器。这些人类电讯史上的新发明引起了麦克斯韦莫大的
兴趣，也许他当时曾有过某种预感，有一天他的理论将会对人类、对人类的
文明事业作出贡献。
麦克斯韦生活的后期充满�
