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

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

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了不幸与苦恼。在事业上，他的学说不被时人所理解；在生活上，他的妻子长期患病。这两个不幸，使他精疲力尽。妻子病后，整个家庭的秩序陷于混乱。麦克斯韦是个对妻子体贴入微的人，为了看护照料她，麦克斯韦有时甚至整整三个星期没在床上睡过觉。就是在这样的情况下，他的演讲、他的授课，他的实验室工作，却从来没有中断过。然而，过度的焦虑和劳累，终于夺去了他的健康，他的同事们也注意到，这位无私的、有为的科学家正在渐渐消瘦下去，面色也愈来愈苍白。然而这个伟大的学者对科学的热忱和执着的追求，却从来没有衰退过。

1879 年是麦克斯韦生命的最后一年，这一年的春天似乎来得很晚，天气

乍暖还寒。麦克斯韦的健康状况已经明显恶化，他的病与 40 多年前母亲的病一样。就是这样，他仍然坚持着工作，仍然站在讲台上，宣讲他的电磁理论。在他的课堂上，这时只有两名学生，一个是来自美国的研究生，另一个就是后来发明了电子管的弗莱明。晚年，孤独、疾病、劳累、未老先衰伴随着他，而这个注定将要不朽的学者仍然倔强地、步履艰难地走上讲台，向人们宣讲自己的学说。

1879 年 11 月 5 日，麦克斯韦因病不治去世，病因是肠癌，终年仅 49 岁。近代物理学史上一个可以与牛顿相提并论的伟人就这样早早去世了，这是科学界的一个重大损失，也是全人类的重大损失。他的理论为近代的科学事业

开辟了一条崭新的道路，他的功绩在生前却未得到应有的重视。这位科学巨匠就这样在曲高和寡、默默无闻中死去了，在他死后的许多年，在另一个伟大的物理学家赫兹证明了电磁波存在以后，人们才意识到麦克斯韦的价值所在，并公认是“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。