科學家麥克斯韋

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋[1]

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831年〜1879年），出生於蘇格蘭愛丁堡，英國物理學家、數學家。經典電動力學的創始人，統計物理學的奠基人之一 。1831年6月13日生於蘇格蘭愛丁堡，1879年11月5日卒於劍橋。

1847年進入愛丁堡大學學習數學和物理，畢業於劍橋大學。他成年時期的大部分時光是在大學裡當教授，最後是在劍橋大學任教。1873年出版的《論電和磁》，也被尊為繼牛頓《自然哲學的數學原理》之後的一部最重要的物理學經典。麥克斯韋被普遍認為是對物理學最有影響力的物理學家之一。沒有電磁學就沒有現代電工學，也就不可能有現代文明。

目錄

人物生平

求學生涯

愛丁堡大學學習。這裡是蘇格蘭的最高學府。他是班上年紀最小的學生，但考試成績卻總是名列前茅。他在這裡專攻數學物理，並且顯示出非凡的才華。他讀書非常用功，但並非死讀書，在學習之餘他仍然寫詩，不知滿足地讀課外書，積累了相當廣泛的知識。在愛丁堡大學，麥克斯韋獲得了攀登科學高峰所必備的基礎訓練。其中兩個人對他影響最深，一是物理學家和登山家福布斯，一是邏輯學和形而上學教授哈密頓。福布斯是一個實驗家，他培養了麥克斯韋對實驗技術的濃厚興趣，一個從事理論物理的人很難有這種興趣。他強制麥克斯韋寫作要條理清楚，並把自己對科學史的愛好傳給麥克斯韋。哈密頓教授則用廣博的學識影響着他，並用出色的怪異的批評能力刺激麥克斯韋去研究基礎問題。在這些有真才實學的人的影響下，加上麥克斯韋個人的天才和努力，麥克斯韋的學識一天天進步，他用三年時間就完成了四年的學業，相形之下，愛丁堡大學這個搖籃已經不能滿足麥克斯韋的求知慾。為了進一步深造，

1850年，他徵得了父親的同意，離開愛丁堡，到人才濟濟的劍橋去求學。赫茲是德國的一位青年物理學家，麥克斯韋的《電磁學通論》發表之時，他只16歲。在當時的德國，人們依然固守着牛頓的傳統物理學觀念，法拉第、麥克斯韋的理論對物質世界進行了嶄新的描繪，但是違背了傳統，因此在德國等歐洲中心地帶毫無立足之地，甚而被當成奇談怪論。當時支持電磁理論研究的，只有波爾茨曼和赫爾姆霍茨。赫茲後來成了赫姆霍茨的學生。在老師的影響下，赫茲對電磁學進行了深入的研究，在進行了物理事實的比較後，他確認，麥克斯韋的理論比傳統的"超距理論"更令人信服。於是他決定用實驗來證實這一點。

1886年，赫茲經過反覆實驗，發明了一種電波環，用這種電波環作了一系列的實驗，終於在1888年發現了人們懷疑和期待已久的電磁波。赫茲的實驗公布後，轟動了全世界的科學界，由法拉第開創、麥克斯韋總結的電磁理論，至此取得了決定性的勝利。麥克斯韋的偉大遺願終於實現了。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和他的妻子[2]

婚姻生活

1856年4月30日，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋被任命為阿伯丁的馬里沙爾學院自然哲學講座教授。在阿伯丁，麥克斯韋認識了馬沙爾學院院長的女兒凱瑟琳·瑪麗·迪尤爾(Katherine Mary Dewar)，凱瑟琳年長麥克斯韋七歲，美麗，身材比他略高，明朗坦率。

1858年2月18日，他寫信給珍妮姨媽，把訂婚的事情通知她說: 親愛的姨媽:這封信要告訴你，我就要有妻子了。我沒有完全寫出她的整個質量，我覺得不合適;但我要告訴你的是，我們彼此需要，而且比我見到過的任何一對伴侶更知心。 不用擔心;

她不是學數學的;但是數學以外還有很多別的事情，而她並不想以數學取勝…… 所以，你現在知道她是誰了，她就是凱瑟琳·瑪麗·迪尤爾(迄今為止叫這個名)。我聽羅伯特舅舅談到(間接地)她的那位院長父親。她的母親是一位上流社會夫人，安靜而嚴謹，卻總是以充滿忍讓的方式對待任何事物……情況就是這樣。我和她的事情已經定下來了，事事如意。這些都有保證，你會知道的。 麥克斯韋用詩句抒發了自己對凱瑟琳的感情:

你和我將長相廝守

在生機盎然的春潮里，

我的神靈已經

穿越如此廣闊的寰宇?

我這就將我的整個生命

導入這生機盎然的春潮，

將真正使三個自我

穿越這世界的廣袤

在這首詩中，麥克斯韋真摯地表達了自己的情愛。 1858年7月4日麥克斯韋與凱瑟琳·馬麗·迪尤爾(Katherine Mary Dewar)(後來改為克拉克·麥克斯韋姓即改為麥克斯韋的姓，取名凱瑟琳·克拉克·麥克斯韋，他們結婚時，她34歲--在維多利亞時代已經是一個老處女了。 )正式結婚， 婚禮在阿伯丁舉行。

科學研究

1850年轉入劍橋大學三一學院數學系學習，1854年以第二名的成績獲史密斯獎學金，畢業留校任職兩年。1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳任自然哲學教授。1860年到倫敦國王學院任自然哲學和天文學教授。1861年選為倫敦皇家學會會員。1865年春辭去教職回到家鄉系統地總結他的關於電磁學的研究成果，完成了電磁場理論的經典巨著《論電和磁》，並於1873年出版。

1871年受聘為劍橋大學新設立的卡文迪什試驗物理學教授，負責籌建著名的卡文迪什實驗室。

1874年建成後擔任這個實驗室的第一任主任，直到1879年11月5日在劍橋逝世。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋[3]

電磁情緣

回顧電磁學的歷史，物理學的歷程一直到1820年的時候都是以牛頓的物理學思想為基礎的。自然界的"力"--熱、電、光、磁以及化學作用正在被逐漸歸結為一系列流體的粒子間的瞬時吸引或排斥。人們已經知道磁和靜電遵守類似引力定律的平方反比定律。在19世紀以前的40年中，出現了一種反對這種觀點的動向，這種觀點讚成"力的相關"。1820年，奧斯特發現的電磁現象馬上成了這種新趨勢的第一個證明和極為有力的推動力，但當時的人又對此捉摸不定和感到困惑。奧斯特所觀察到的電流與磁體間的作用有兩個基本點不同於已知的現象:它是由運動的電顯示出來的，而且磁體既不被引向帶電流的金屬線，也不被它推開，而是對於它橫向定位。同一年，法國科學家安培用數學方法總結了奧斯特的發現，並創立了電動力學，此後，安培和他的追隨者們便力圖使電磁的作用與有關瞬時的超距作用的現存見解調和起來。

麥克斯韋的電學研究始於1854年，當時他剛從劍橋畢業不過幾星期。他讀到了法拉第的《電學實驗研究》，立即被書中新穎的實驗和見解吸引住了。在當時人們對法拉第的觀點和理論看法不一，有不少非議。最主要原因就是當時"超距作用"的傳統觀念影響很深。另一方面的原因就是法拉第的理論的嚴謹性還不夠。法拉第是實驗大師，有着常人所不及之處，但唯獨欠缺數學功力，所以他的創見都是以直觀形式來表達的。一般的物理學家恪守牛頓的物理學理論，對法拉第的學說感到不可思議。有位天文學家曾公開宣稱:"誰要在確定的超距作用和模糊不清的力線觀念中有所遲疑，那就是對牛頓的褻瀆!"在劍橋的學者中，這種分歧也相當明顯。湯姆遜也是劍橋里一名很有見識的學者之一。麥克斯韋對他敬佩不已，特意給湯姆遜寫信，向他求教有關電學的知識。湯姆遜比麥克斯韋大7歲，對麥克斯韋從事電學研究給予過極大的幫助。在湯姆遜的指導下，麥克斯韋得到啟示，相信法拉第的新論中有着不為人所了解的真理。認真地研究了法拉第的著作後，他感受到力線思想的寶貴价值，也看到法拉第在定性表述上的弱點。於是這個剛剛畢業的青年科學家決定用數學來彌補這一點。1855年麥克斯韋發表了第一篇關於電磁學的論文《論法拉第的力線》。

一般認為麥克斯韋是從牛頓到愛因斯坦這一整個階段中最偉大的理論物理學家。1879年他在48歲時因病與世長辭。他光輝的生涯就這樣過早地結束了。

1865年開始，麥克斯韋辭去了皇家學院的教席，開始潛心進行科學研究，系統地總結研究成果，撰寫電磁學專著。

麥克斯韋生前沒有享受到他應得的榮譽，因為他的科學思想和科學方法的重要意義直到20世紀科學革命來臨時才充分體現出來。然而他沒能看到科學革命的發生。1879年11月5日，麥克斯韋因病在劍橋逝世，年僅48歲。那一年正好愛因斯坦出生。

主要成就

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋年輕的時候[4]

麥克斯韋主要從事電磁理論、分子物理學、統計物理學、光學、力學、彈性理論方面的研究。尤其是他建立的電磁場理論，將電學、磁學、光學統一起來，是19世紀物理學發展的最光輝的成果，是科學史上最偉大的綜合之一。

他預言了電磁波的存在。這種理論預見後來得到了充分的實驗驗證。他為物理學樹起了一座豐碑。造福於人類的無線電技術，就是以電磁場理論為基礎發展起來的。麥克斯韋大約於1855年開始研究電磁學，在潛心研究了法拉第關於電磁學方面的新理論和思想之後，堅信法拉第的新理論包含着真理。於是他抱着給法拉第的理論"提供數學方法基礎"的願望，決心把法拉第的天才思想以清晰準確的數學形式表示出來。

他在前人成就的基礎上，對整個電磁現象作了系統、全面的研究，憑藉他高深的數學造詣和豐富的想象力接連發表了電磁場理論的三篇論文:《論法拉第的力線》(1855年12月至1856年2月);《論物理的力線》(1861至1862年);《電磁場的動力學理論》(1864年12月8日)。對前人和他自己的工作進行了綜合概括，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美數學形式表示出來，經後人整理和改寫，成為經典電動力學主要基礎的麥克斯韋方程組。據此，1865年他預言了電磁波的存在，電磁波只可能是橫波，並推導出電磁波的傳播速度等於光速，同時得出結論:光是電磁波的一種形式，揭示了光現象和電磁現象之間的聯繫。1888年德國物理學家赫茲用實驗驗證了電磁波的存在。

麥克斯韋於1873年出版了科學名著《電磁理論》。系統、全面、完美地闡述了電磁場理論。這一理論成為經典物理學的重要支柱之一。在熱力學與統計物理學方面麥克斯韋也作出了重要貢獻，他是氣體動理論的創始人之一。1859年他首次用統計規律得出麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀量求統計平均值的更確切的途徑。1866年他給出了分子按速度的分布函數的新推導方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎的。他引入了馳豫時間的概念，發展了一般形式的輸運理論，並把它應用於擴散、熱傳導和氣體內摩擦過程。1867年引入了"統計力學"這個術語。麥克斯韋是運用數學工具分析物理問題和精確地表述科學思想的大師，他非常重視實驗，由他負責建立起來的卡文迪什實驗室，在他和以後幾位主任的領導下，發展成為舉世聞名的學術中心之一。

麥克斯韋方程組

研究背景

他由於列出了表達電磁基本定律的四元方程組而聞名於世。在麥克斯韋以前的許多年間，人們就對電和磁這兩個領域進行了廣泛的研究，人們都知道這兩者是密切相關的。適用於特定場合的各種電磁定律已被發現，但是在麥克斯韋之前卻沒有形成完整、統一的學說。麥克斯韋用列出的簡短四元方程組(但卻非常複雜)，就可以準確地描繪出電磁場的特性及其相互作用的關係。這樣他就把混亂紛紜的現象歸納成為一種統一完整的學說。麥克斯韋方程在理論和應用科學上都已經廣泛應用一個世紀了。

優點

麥克斯韋方程的最大優點在於它的通用性，它在任何情況下都可以應用。在此以前所有的電磁定律都可由麥克斯韋方程推導出來，許多從前沒能解決的未知數也能從方程推導過程中尋出答案。

這些新成果中最重要的是由麥克斯韋自己推導出來的。根據他的方程可以證明出電磁場的周期振盪的存在。這種振盪叫電磁波，一旦發出就會通過空間向外傳播。根據方程，麥克斯韋就可以表達出電磁波的速度接近300000公里(186000英里)/秒，麥克斯韋認識到這同所測到的光速是一樣的。由此他得出光本身是由電磁波構成的這一正確結論。

因此，麥克斯韋方程不僅是電磁學的基本定律，也是光學的基本定律。的確如此，所有先前已知的光學定律可以由方程導出，許多先前未發現的事實和關係也可由方程導出。在此基礎上，麥克斯韋認為光是頻率介於某一範圍之內的電磁波。這是人類在認識光的本性方面的又一大進步。正是在這一意義上，人們認為麥克斯韋把光學和電磁學統一起來了，這是19世紀科學史上最偉大的綜合之一。

可見光並不是唯一的一種電磁輻射。麥克斯韋方程表明與可見光的波長和頻率不同的其它電磁波也可能存在。這些從理論上得出的結論後來被海因利茨·赫茲公開演示證明了。赫茲不僅生產出而且檢驗出了麥克斯韋預言存在的不可見光波。幾年以後，伽格利耶爾摩·馬可尼證明這些不可見光波可以用於無線電通訊，無線電隨之問世。今天我們也用不可見光為電視通訊。X線、γ線、紅外線、紫外線都是電磁波輻射的其它一些例子。所有這些射線都可以用麥克斯韋方程來加以研究。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋[5]

意義

麥克斯韋的主要貢獻是建立了麥克斯韋方程組，創立了經典電動力學，並且預言了電磁波的存在，提出了光的電磁說。麥克斯韋是電磁學理論的集大成者。他出生於電磁學理論奠基人法拉第提出電磁感應定理的1831年，後來又與法拉第結成忘年之交，共同構築了電磁學理論的科學體系。物理學歷史上認為牛頓的經典力學打開了機械時代的大門，而麥克斯韋電磁學理論則為電氣時代奠定了基石。

天文學和熱力學

雖然麥克斯韋成名主要是在於他對電磁學和光學做出的巨大貢獻，但是他對許多其它學科也做出了重要的貢獻，其中包括天文學和熱力學。他的特殊興趣之一是氣體運動學。麥克斯韋認識到並非所有的氣體分子都按同一速度運動。有些分子運動慢，有些分子運動快，有些以極高速度運動。麥克斯韋推導出了求已知氣體中的分子按某一速度運動的百分比公式，這個公式叫做"麥克斯韋分布式"，是應用最廣泛的科學公式之一，在許多物理分支中起着重要的作用。

力學

麥克斯韋在力學方面的貢獻主要有:1853年推廣用偏振光測量應力的方法;1864年提出結抅辦學中桁架內力的圖解法，指出桁架形狀和內力圖是一對互易圖，並提出求解靜不定桁架位移的單位載荷法。1868年對粘彈性材料提出一種模型(後稱麥克斯韋模型)，並引進鬆弛時間的概念。同年在《論調節器》中分析了蒸汽機自動調速器和鐘錶機構的運動穩定性問題。1870年將G.R.艾里提出的彈性力學中的應力函數由二維推廣到三維，並指出它應滿足雙調和方程。1873年給出荷電系統中引力和斥力引起的應力場。

卡文迪許實驗室

麥克斯韋的另一項重要工作是籌建了劍橋大學的第一個物理實驗室--著名的卡文迪許實驗室。該實驗室對整個實驗物理學的發展產生了極其重要的影響，眾多著名科學家都曾在該實驗室工作過。卡文迪許實驗室甚至被譽為"諾貝爾物理學獎獲得者的搖籃"。作為該實驗室的第一任主任，麥克斯韋在1871年的就職演說中對實驗室未來的教學方針和研究精神作了精彩的論述，是科學史上一個具有重要意義的演說。麥克斯韋的本行是理論物理學，但他卻清楚地知道實驗稱雄的時代還沒有過去。他批評當時英國傳統的"粉筆"物理學，呼籲加強實驗物理學的研究及其在大學教育中的作用，為後世確立了實驗科學精神。

土星光環理論分析

早在1787年，拉普拉斯進行過把土星光環作為固體研究的計算。當時他曾確定，土星光環作為一個均勻的剛性環，它不會瓦解的原因要滿足兩個條件，一是它以一種使離心力與土星引力相平衡的速度運轉，二是

光環的密度與土星的密度之比超過臨界值0.8，從而使環的內層與外層之間的引力超過在不同半徑處離心力與萬有引力之差。他之所以有如此推論，是因為，一個均勻環的運動在動力學上是不穩定的，任何輕微的破壞平衡的位移都會導致環的運動被破壞，使光環落向土星。拉普拉斯推測，土星光環是一個質量分布不規則的固體環。

到了1855年，理論仍然停留在此，而這中間，人們又觀測到了土星的一個新的暗環，和更進一步的分離現象，還有光環系統自從被發現以來二百年間整體尺度的緩慢變化。因此，一些科學家們提出了一個假說，來解釋土星光環在動力學上的穩定性，這個假說是:土星光環是:由固體流體和大量並非相互密集的物質構成的。麥克斯韋就根據這一假說進行了論述。他首先着手的是拉普拉斯留下的固體環理論，並確定了一個任意形狀環的穩定性條件。麥克斯韋依據環在土星中心造成的勢，列出了運動方程式，獲得了對勻速運動的勢的一階導數的兩個限制，然後由泰勒展開式又得到關於穩定運動二階導數的三個條件。麥克斯韋又把這些結果換成關於質量分布的傅立葉級數的前三個係數的條件。因而他證明了，除非有一種奇妙的特殊情形，幾乎每個可以想象的環都是不穩定的。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋[6]

這種特殊的情形是指一個均勻環在一點上承載的質量介於剩餘質量的4.43倍到4.67倍之間。但是這種特殊情況的固體環在不均勻的引力下會瓦解掉，所以固體環的理論假說是不能成立的。

光學 麥克斯韋早在1849年在愛丁堡的福布斯實驗室就開始了色混合實驗。在那個時候，愛丁堡有許多研究顏色的學者，除了福布斯、威爾遜和布儒斯特外，還有一些對眼睛感興趣的醫生和科學家。實驗主要就是在於觀察一個快速旋轉圓盤上的幾個着色扇形所生成的顏色。麥克斯韋和福布斯首先做出的一個實驗是使紅、黃、藍組合產生灰色。他們的實驗失敗了，而其中的主要原因是:藍與黃混合併不象常規那樣生成綠色，而是當兩者都不占優勢時產生一種淡紅色，這種組合加上紅色不可能產生任何灰色。

人物著作

時間	著作名稱	備註
1862年	《論物理的力線》	把磁場中的轉動這一假說從尋常的物質推廣到以太。他考慮了深置於不可壓縮流體中渦旋的排列。在正常情況下，壓強在各方向是相同的，但轉動引起的離心力使每一渦旋發生縱向收縮並施加經向壓強，這正模擬了法拉第力線學說中所提的應力分布。由於使每一渦旋的角速度同局部磁場強度成正比，麥克斯韋得出了同已有的關於磁體、穩恆電流及抗磁體之間力的理論完全相同的公式。根據流體的觀察實驗，麥克斯韋認為各渦旋之所以能沿同一指向自由轉動，是因為各渦旋由一層微小的粒子同與它相鄰的渦旋格開，這種粒子與電完全相同。
1863年	《論電學量的基本關係》	他推廣傅立葉在熱的理論中開始的程序，宣布了同質量、長度、時間度有關的電學量和磁學量的定義，以便於提供對那種二元的電學單位制的第一個最完整透徹的說明。他引入了成為標準的記號，把量綱關係表示為用括弧括起來的質量、長度、時間量度的冪(音mì)的乘積，帶有各自的無量綱的乘數。在這一年，麥克斯韋已經找到了在電磁量與光速之間的一個純唯象性質的環節。
1865年	《電磁場的動力學理論》	為解決與光速之間的純唯象問題提供了一個新的理論框架。它以實驗和幾個普遍的動力學原理為根據，證明了不需要任何有關分子渦旋或電粒子之間的力的專門假設，電磁波在空間的傳播就會發生。在這篇論文中，麥克斯韋完善了他的方程式。他採用拉格朗日和哈密頓創立的數學方法，由該方程組直接導出了電場和磁場的波動方程，其波動的傳播速度為一個介電係數和導磁係數的幾何平均的倒數，這一速度正當等於光速。這一結果又再一次與麥克斯韋推算結果完全一致。至此電磁波的存在是確定無疑的了。由此，麥克斯韋大膽的斷定，光也是一種電磁波。法拉第當年關於光的電磁論的朦朧猜想，經過麥克斯韋精心地計算而變成為科學的推論
1873年	《電磁學通論》	麥克斯韋比以前更為徹底地應用了拉格朗日的方程，推廣了動力學的形式體系。麥克斯韋系統地總結了人類在19世紀中葉前後對電磁現象的探索研究軌跡，其中包括庫侖、安培、奧斯特、法拉第等人的不可磨滅的功績，更為細緻、系統地概括了他本人的創造性努力的結果和成就，從而建立起完整的電磁學理論。

人物評價

1931年，愛因斯坦在麥克斯韋百年誕辰的紀念會上，評價其建樹"是牛頓以來，物理學最深刻和最富有成果的工作。

麥克斯韋在電磁學上取得的的成就被譽為繼艾薩克·牛頓之後，"物理學的第二次大統一"。麥克斯韋被普遍認為是對二十世紀最有影響力的十九世紀物理學家。他對基礎自然科學的貢獻僅次於艾薩克·牛頓。

科學史上，稱牛頓把天上和地上的運動規律統一起來，是實現第一次大綜合，麥克斯韋把電、光統一起來，是實現第二次大綜合，因此應與牛頓齊名。

《電磁學通論》是一部經典的電磁理論著作，可與牛頓的《數學原理》(力學)、達爾文的《物種起源》(生物學)相提並論。從安培、奧斯特，經法拉第、湯姆遜最後到麥克斯韋，通過幾代人的不懈努力，電磁理論的宏偉大廈，終於建立起來。這本書的出版，理所當然地成了物理學界的一件大事，當時麥克斯韋只有42歲，已經回到劍橋任實驗物理學的教授。人們早已通過他以前的幾篇卓有見地的論文而熟識了他，他的朋友和學生以及科學界的人士對他的這本書更是期待已久，爭相到各地書店去購買，以求先睹為快，所以書的第一版很快就被搶購一空。