一、麦克斯韦的理论预言

麦克斯韦在剑桥大学读书时，就熟读了法拉弟发表的各辑《电学实验研究》，使他感到惊奇的是，法拉弟虽然不是数学家，但他提出的许多电磁学概念，特别是磁力线和电致紧张态概念，含有丰富的数学思想．在他看来，如果用数学符号和公式将法拉弟的成果总结出来就得到一种处理电磁场的动力学方法．麦克斯韦在他总结出的电磁场理论中预言了电磁波的存在．麦克斯韦对电磁波的理论预言过程可分三个阶段．

第一阶段：运用类比方法，建立电学量与磁学量的定量关系，并总结出六条电磁学定律．

麦克斯韦通过电场和热流场、流体力场的几何类比，使力线动力学化，使电致紧张态动量化，进而在电磁场能动性基础上，建立各种电学量和磁学量的定量关系．

第二阶段，通过特设的电磁场模型，提出位移电流和电位移的概念， 将电扰动与磁扰动联扣起来，形象地将电磁波的运动表征出来，同时提出了电磁场运动学方程和动力学方程．

麦克斯韦在总结出六条电磁学定律后认为按照动力学，物体既然有动量，它必然具有速度．按照麦克斯韦电磁学，电磁场既然有动量它也必然具有速度．麦克斯韦按照电磁学与动力学的类比，发现电磁场的速度应当是电流．这样一来，如果仍然将电流仅限于导体，电磁场就失去了意义．为此，麦克斯韦创造性地引入了位移电流的概念．麦克斯韦为了在电磁场中形象地勾勒出位移电流的形状，他又塑造了电磁场介质的动力学模型，并运用了动力学的方法，从亥姆霍兹的涡旋流体的方程类比推出电磁场的运动学方程

电磁场动力学方程表明，磁扰动可以产生电场，电磁场运动学方程表明， 磁场中有电流流动，不论电磁场中是否存在导体都应如此．这是传统观念所不能接受的，但它也正是麦克斯韦动力学介质假说的必然结果．麦克斯韦通过这两个方程已把电磁场的波动性质勾画出来了．

麦克斯韦在《论物理力线》一文中进一步以电磁场属于一种动力学介质的假设出发，推导出电磁波速等于光速．麦克斯韦根据电磁场介质的动力学模型认为电磁场应为横向振动，其波速类比弹性流体的横向振动的传播公式

V =

因电磁场介质的密度为 4πμ，μ为磁导率，弹性模量 k 推得 k=4πc2 代入上式可得电磁波的速度为

V = C /

在真空中，μ=1 所以V=C

而C根据E = C²

Q 知，C是电量的电磁单位对静电单位的比值．科尔劳

r 2

施和韦伯曾在 1856 年已测得这个单位的比值 C 为 310740000 米/秒，这使麦克斯韦联想到，这个比值与布雷德利用光行差的方法和斐索用齿轮法以及傅科用旋转镜面法测得的光速极为接近，他由此得出了一个划时代的结论：

电磁波在真空中的速度等于光速， 这个推理过程可归纳为：

“电磁波速=电学单位的比值=光速”这样一个推理思路．

第三阶段，运用拉格朗日的分析力学方法，从电磁场的势能和动能着手推导出电磁场方程组，进而预言电磁波与光速的一致性．

麦克斯韦在《电磁场的一个动力学理论》中抛弃了在《论物理力线》中提出的电磁场的动力学介质的模型，而是从拉格朗日的分析力学方法入手推导出了电磁场方程组．并由这个方程组进一步推导出电磁波动方程：

K 2 =4πμ(d2 /dt2) 式中 K=4πc2 显然，电磁波速：

V = = c /

这与前文的结论一致．

1873 年，麦克斯韦在《电学和磁学专论》一书中预言光压在大小上等于电磁场的能量密度．1901 年列别捷夫的光压实验证实了麦克斯韦的理论预言．

至此，麦克斯韦从理论上作出了电磁波是存在的，而且电磁波与光波具有同一性．