电磁学理论创立人

今天，我们生活在电波世界里，电视、广播、通讯、雷达等，都是通过电磁波来传播信息的。然而在上个世纪前期，人们根本不知道什么是电磁波。

有一位物理学家，从理论上总结了人类对电磁现象的认识，创立了电磁学理论，预见了电磁波的存在，在科学上取得了伟大的成就。他的成就可与牛顿和爱因斯坦相提并论，可是很少有人知道他的名字。

他的名字叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

1831 年 11 月 13 日，麦克斯韦出生在苏格兰古爱丁堡。恰好是这一年，法拉第发现了感生电流。

麦克斯韦的父亲是一名律师，但对科学技术非常热心，经常去听爱丁堡皇家学会的科学讲座，这对幼年的麦克斯韦有一定的影响。

麦克斯韦小时候总是提出各种各样的问题。当他看到清晨的太阳冉冉升起时，便问“太阳为什么是红的？”当看见树木郁郁葱葱枝繁叶茂时，便问“树木为什么朝天上长？”当看见夜晚的天空繁星闪烁时，便问“天上的星星有多少颗？”

对于儿子天真无邪的提问，父亲很高兴。他是一个思想开放、讲究实际的人，既然儿子对自然科学感兴趣，就带着儿子一起听科学讲座，使小麦克斯韦受到了不少科学熏陶。

麦克斯韦在 8 岁时，母亲不幸因病去世，从此和父亲相依为命。10 岁时，他进入爱丁堡中学学习，非常勤奋。课外，其他同学都玩去了，只有麦克斯韦一个人躲在教室里，专心致志的演算数学题。

在他 13 岁时，学校举行了数学和诗歌比赛，两科比赛的一等奖是同一个人。这个人不是别人，正是出类拔革的麦克斯韦。

14 岁时，他写了一篇数学论文——《关于椭圆曲线的作图和多焦点椭圆曲线》，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，显示了数学才华。他的父亲感到非常自豪。

1847 年，16 岁的麦克斯韦中学毕业后，考人苏格兰最高学府爱丁堡大学，学习数学物理。

他的成绩依然是最优秀的。有一次，他指出一位讲师的公式推导有错误，这位讲师根本不相信，并说：“这是不可能的，如果要是你的推导对了，我就叫他麦式公式。”然而，讲师经过仔细的验算，还是自己错了。

在爱丁堡大学，麦克斯韦又发表了两篇论文：《关于旋输线》、《论弹性体的平衡》，使他的数学水平进一步提高，为后来经典电磁学理论的建立打下了良好的数学基础。

1850 年，麦克斯韦考人剑桥大学三一学院。

麦克斯在这里读了大量的科学专著。他的学习方法不是循序渐进，井井有条，而是不注意系统性。有时候，为了钻研一个问题，往往几个星期都目不旁顾；有时候，又见到什么读什么，五花八门，漫无边际。

勤奋学习和善于思考的麦克斯韦，需要名师指导，才能放出异彩。

剑桥大学著名的数学家和物理学家霍普金斯，有一天去图书馆借一部数学专著，不巧被人惜走了，扑了个空；一天再去惜一本数学期刊时，又被人捷足先登了。

书刊没有借到，又浪费了宝贵的时间，对于特别珍惜时间的教授来说，怎能不心烦呢。为了查找一个资料，霍普金斯便问图书管理员，是谁借去了这本书。

“被麦克斯韦借去了。” “这本书很深奥，学生是难以看懂的，这个学生借这本书于什么呢？” 霍普金斯这样想着，强烈的好奇心驱使他来到麦克斯韦的宿舍。只见房

间乱糟糟的，他要惜的书摊在桌子上，另外还有几本书横七竖八地摆着，一个小伙子正在认真的攻读，埋头在摘抄，笔记本上涂得乱七八糟。

凭直觉，这不是一般的学生，将来定能有所建树，霍普金斯高兴地说： “小伙子，无论是生活还是学习，都要有秩序，否则是难成大器的。”

就这样，麦克斯韦幸运地得到了这位著名教授的器重，可以说是伯乐智识千里马。

霍普金斯首先帮助麦克斯韦克服了杂乱无章的学习方法，并对他进行了严格的训练，每一个选题，每步运算都要求极严。

麦克斯韦在名师指点下，很快掌握了当时所有先进的数学方法，并对光、热、电、磁等各种物理问题产生了浓厚的兴趣，成绩优异，在毕业学位考试中，获得第二名。

霍普金斯为有这样的学生而感到自豪，他说：“在我教过的所有学生中，毫无疑问，这是我遇到的最杰出的一个！”

在剑桥大学的学习过程中，麦克斯韦打下了良好的数理基础，同时也在教授的指导下练就了娴熟的实验技巧，为以后的研究和用数学分析方法总结实验成果铺平了道路。

1854 年，麦克斯韦在剑桥大学毕业，即留校任教，开始了他的教学和科学生涯。

工作不久，麦克斯韦读到了法拉第的名著《电学实验研究》，立即被书中的实验和新颖的见解吸引住了。

作为实验大师，法拉第有许多过人之处，但是他几乎没有数学功底，只能用直观的形式来表达他的创见。当时，“超距作用”的传统观念还影响很深。因此，一般的理论物理学家都瞧不起法拉第，对他的工作不以为然。

甚至有位天文学家公开宣称：“谁要是在精确的超距作用和模糊的力线观念之间有所迟疑，那简直就是对牛顿的亵渎！”

但麦克斯韦通过对法拉第著作的刻苦攻读，相信其中包含的真理，并悟出了力线思想的宝贵价值。这位初出茅庐的青年科学家决心用数学定量表述来丰富法拉第的电磁理论。

麦克斯韦精心研究了法拉第的“力线”概念，在 1885 年发表了第一篇电磁论文——《论法拉第的力线》。通过数学方法，他把电流周围存在磁力线的特征，概括为一个矢量微分方程，导出了法拉第的结论。

这一年，法拉第告老退休，结束了 30 多年的电磁学研究，在科学笔记上写下了最后一页。而麦克斯韦以这篇论文接过了法拉第手中的熊熊火炬，开始向电磁学领域的纵深挺进。

1860 年，麦克斯韦受聘于伦敦皇家学院。

在研究电和磁的关系中，以前一直认为电流产生磁场，这个电流是指传导电流，法拉第也是这样认为的。麦克斯韦在实验中有了新的发现。

把两块中间夹着介质的金属板，也即是电容器，接在交变电源上，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。

这个磁场是怎样产生的呢？麦克斯韦经过研究和分析，认为这里的磁场是由另一种类型的电流产生的，这种电流存在于任何电场变化的电介质中。他把这种电流称为“位移电流”，指出在位移电流的周围空间同样产生磁场，这种磁场和传导电流产生的磁场完全一样。

1862 年，麦克斯韦发表了《论物理力线》的论文。这篇论文是他在电磁学理论方面的第二篇论文，已经不再是法拉第观点的数学翻译了，而是有了重大的引申和发展，首创了“位移电流”的新概念，指出不仅变化的磁场产生电场，而且变化的电场也产生磁场。

在这篇论文中，麦克斯韦还预见了电磁波的存在。在研究电场和磁场的交相变化过程时，他认识到这种相互变化的电磁场以波的形式向空间散布，由近及远。

他还对电磁学的定律进行了高度的概括，写出了数学方程，导出了电磁场的能量密度和电磁波的能量密度，指出电磁波就是能量的流动过程，从而说明了电磁波的物质性。

但是麦克斯韦并没有用实验来证实电磁波的存在。

1864 年，麦克斯韦发表他的第三篇电磁学论文《电磁场的动力学理论》。在这篇论文里，麦克斯韦方程更完备了，它导出了电场与磁场的波动方程，其波的传播速度正好等于光的速度。这启发他提出了光的电磁学说，指出光也是一种电磁波，只不过是一种频率很低的电磁波，从而进一步认识了光的本质。

1873 年，麦克斯韦出版了他的电磁学专著《电磁学通论》。

这部著作全面而系统地总结了电磁学研究的成果，成为电磁学的经典理论著作。这部著作的巨大意义，可与牛顿的《自然哲学数学原理》相媲美。如果说帕然哲学数学原理》是对经典力学的大综合，成为力学发展的里程碑，那么《电磁学通论》就是对电磁学的大综合，成为电磁学发展的里程碑。

在这部著作里，麦克斯韦以他特有的数学语言，建立了电磁学的微分方程组，揭示了电荷、电流、电场、磁场之间的普遍联系。这个电磁学方程，就是后来以他的名字著称的“麦克斯韦方程”。

麦克斯韦方程包括四个方面的内容： 1.法拉第感应定律；

描述电磁场对位移电流密度和传导电流密度的关系；
相当于库仑定律；
表明了除电源外，没有其他磁场源。

在《电磁学通论》中，电磁场、电磁波、光的电磁说都具有了严密的理论形态与数学模型，使电磁学发展到了高峰。

这样，一座宏伟的经典电磁学的理论大厦就由麦克斯韦建立起来了。为了纪念他，人们把电磁单位制的磁通量单位定名为“麦克斯韦”。