麥克斯韋與電磁場(chǎng)理論的創(chuàng)立解析

1、麥克斯韋與電磁場(chǎng)理論的創(chuàng)立摘 要：麥克斯韋是科學(xué)史上最偉大的物理學(xué)家之一，他的電磁場(chǎng)理論被譽(yù)為19世紀(jì)的電磁學(xué)史上的一座豐碑，他不但將全部電磁現(xiàn)象所 服從的規(guī)律概括為我們所熟知的麥克斯韋方程組，而且還預(yù)言了 電磁波的存在。他所完成的不朽著作電磁場(chǎng)通論，對(duì)當(dāng)代物 理學(xué)家甚至對(duì)以后幾代物理學(xué)家來(lái)說(shuō)都是一個(gè)偉大而又不易達(dá)到 的豐碑。同時(shí)，麥克斯韋對(duì)科學(xué)之外的遠(yuǎn)見(jiàn)卓識(shí)和物理學(xué)領(lǐng)域一 樣令人驚嘆。關(guān)鍵詞：麥克斯韋麥克斯韋方程組 電磁波電磁場(chǎng)通論Maxwell and The Creati on ofElectromag neticField TheoryAbstract: The history of

2、scienee Maxwell is one of the greatest physicist of his electromagnetic theory of electromagnetism known as the 19th-century history of a monument, not only he will obey all the laws of electromag netic phe nomena summarized as Maxwell's equati ons we know group, but also predicted the existenee

3、 of electromagnetic waves. Completed his monumen tal book "Ge neral Theory of Electromagnetic Fields", and even after several generations of con temporary physicists for physicists, is a great and easy to reach the monument. Mean while, Maxwell on the scie nee of physics bey ond the field

4、of visi on and the same is amaz ing.Keywords: MaxwellMaxwell's equati onsElectromag netic waves"Ge neral Theory of Electromag netic Fields"麥克斯韋與電磁場(chǎng)理論的創(chuàng)立目錄1引言32麥克斯韋的初期經(jīng)歷,33劃時(shí)代的三篇論文,63.1論文的前期準(zhǔn)備63.2論法拉第的力線的發(fā)表73.3論物理力線的發(fā)表一一位移電流,83.4電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論94格倫萊爾的悠閑與電磁場(chǎng)通論的出版,104.1格倫萊爾的悠閑10 4.2電磁場(chǎng)通論的創(chuàng)作115麥

5、克斯韋電磁理論對(duì)后世的影響 ,12結(jié)論13致謝14參考文獻(xiàn),1513麥克斯韋與電磁場(chǎng)理論的創(chuàng)立一、引言:1820年4月，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，這標(biāo)志著電磁學(xué)的開(kāi)始；隨后法國(guó)物理學(xué)家安培在奧斯特實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上于1820年至1827年創(chuàng)立了超距論的電動(dòng)力學(xué)；1831年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第）發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律；1845年至1846年，德國(guó)物理學(xué)家紐曼和韋伯發(fā)展了安培的電 動(dòng)力學(xué)，創(chuàng)立了德國(guó)電動(dòng)力學(xué)體系，在歐洲大陸風(fēng)靡一時(shí)。1861年，英國(guó)十九世紀(jì)最偉大物理學(xué)家麥克斯韋提出了電位移矢量和位移電流的概念； 1861年至1865年，他又創(chuàng)立了著名的麥克斯韋方程組，從理論上預(yù)言電磁 波的存在。麥

6、克斯韋電磁場(chǎng)理論的創(chuàng)立，是19世紀(jì)的電磁學(xué)史上的一座豐碑，他的理論策動(dòng)了后來(lái)者對(duì)電磁波存在的證實(shí)和探索，鼓勵(lì)過(guò)數(shù)代人去 利用電磁波為人類(lèi)造福，其影響不僅超越了英吉利海峽，而且也超越了整 個(gè)19和20世紀(jì)。正如普朗克在 1931年紀(jì)念麥克斯韋誕辰一百周年的學(xué)術(shù) 討論會(huì)上所說(shuō)：“在每一學(xué)科領(lǐng)域都有一些特殊的個(gè)人，他們似乎具有天 賜之福，他們放射出一種超越國(guó)界的影響，直接鼓舞和促進(jìn)著全世界去探 求；麥克斯韋是他們當(dāng)中屈指可數(shù)的一位?！倍?、麥克斯韋的初期經(jīng)歷麥克斯韋出生于蘇格蘭的首府愛(ài)丁堡市郊的格侖奈爾莊園；愛(ài)丁堡是啟蒙之城，被稱(chēng)為“北方的雅典”。19世紀(jì)，幾乎所有的英國(guó)大科學(xué)家都出生在英格蘭北部、蘇

7、格蘭北部和愛(ài)爾蘭北部。就蘇格蘭而言，當(dāng)時(shí)出現(xiàn) 的著名科學(xué)家有：開(kāi)爾文、泰特、霍爾、詹姆士 福布斯、萊爾、布萊克、 等；當(dāng)時(shí)英國(guó)只有法拉第、戴維和瑞利出生在南部。由于人才輩出、群星 燦爛，使蘇格蘭沐浴在濃郁的文化氣氛中，社會(huì)、政府、團(tuán)體一致重視教 育，特別重視蘇格蘭文化傳統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)的教育，這樣的氛圍更有利于科 學(xué)天賦的脫穎而出。麥克斯韋的出生正是法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)的1831年，其父屬于那里的知識(shí)階層，童年的教育是在母親的精心呵護(hù)下完成的。由于受到父親的熏陶，麥克斯韋小時(shí)候?qū)ψ匀豢茖W(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。13歲那年他獲得了愛(ài)丁堡一年一度的數(shù)學(xué)獎(jiǎng)；其后，父親經(jīng)常帶著麥克斯韋參加愛(ài)丁堡皇家學(xué) 會(huì)的各種學(xué)

8、術(shù)活動(dòng)；14歲時(shí)麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了構(gòu)成橢圓的新的數(shù)學(xué)方法，15歲時(shí)在英國(guó)愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)上發(fā)表數(shù)學(xué)論文，這大大地增強(qiáng)了麥 克斯韋在科學(xué)上的進(jìn)取心。1847年秋天，16歲的麥克斯韋進(jìn)入蘇格蘭最高學(xué)府一一愛(ài)丁堡大學(xué)專(zhuān)攻數(shù)學(xué)物理，在這里他跟凱蘭 (Kella nd.P )學(xué)數(shù)學(xué)，跟福布斯學(xué)物理，跟哈密爾頓學(xué)邏輯學(xué)。同時(shí)，他又閱讀了大量的書(shū)籍， 從當(dāng)年大學(xué)圖書(shū)館里記錄中可以找到麥克斯韋借閱過(guò)書(shū)籍有：傅利葉的熱理論、蒙日的畫(huà)法幾何學(xué)、牛頓的光學(xué)、威利斯的機(jī)械論原 理、柯西的微分學(xué)、泰勒的科學(xué)筆記、布爾的邏輯的數(shù)學(xué)分 析、泊松的力學(xué)等等；像他之前的湯姆遜一樣，麥克斯韋被傅利葉 的思想所驚倒，他把傅利葉數(shù)學(xué)理

9、論譽(yù)為“偉大的數(shù)學(xué)詩(shī)篇”。為了進(jìn)一 步深造，三年后他又轉(zhuǎn)入英才薈萃的劍橋大學(xué)。劍橋，位于英格蘭東南部平原的劍河兩岸，是一座秀麗蔥郁的園林式 的小城，這是一座十三世紀(jì)建立起來(lái)的大學(xué)城，整個(gè)一座城市就是一所大 學(xué)一一劍橋大學(xué)。1850年秋，麥克斯韋以巨大的熱情進(jìn)入了這所大學(xué)的著 名學(xué)府一一圣三一學(xué)院。19世紀(jì)上半葉，劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)教育正面臨著重大的改革，牛頓的流數(shù)概念和幾何學(xué)已成為數(shù)學(xué)進(jìn)步的障礙。約翰伯努 利、拉格朗日，都發(fā)展了萊布尼茲的微積分。在這個(gè)時(shí)期，歐洲大陸數(shù)學(xué) 的發(fā)展超過(guò)了英國(guó)。劍橋數(shù)學(xué)家認(rèn)為，極限是一個(gè)神秘的概念，雖然極限 可以使數(shù)學(xué)更活躍，而拉格朗日的系統(tǒng)思想能為微積分提供清晰的基礎(chǔ)

10、， 這個(gè)基礎(chǔ)建立在完全獨(dú)立于無(wú)窮小和極限原則之上；他們竭力提倡用歐洲 大陸現(xiàn)代的數(shù)學(xué)方法對(duì)英國(guó)現(xiàn)行的數(shù)學(xué)教育進(jìn)行一次徹底改造。19世紀(jì)50年代，劍橋大學(xué)仍然流行一種數(shù)學(xué)榮譽(yù)考試，叫Tripos。數(shù)學(xué)Tripos是十分費(fèi)時(shí)費(fèi)心的，一位英國(guó)數(shù)學(xué)家多年后寫(xiě)道：“Tripos是全世界最難的考試，如今還沒(méi)有任何大學(xué)的考試能和它相提并論?！弊钤绲?Tripos可以追溯到1730年，隨著時(shí)光的累積要求越來(lái)越高，聲望也越來(lái)越 重要，這一神圣的傳統(tǒng)榮耀同時(shí)也成了一種沉重的負(fù)擔(dān)。對(duì)劍橋來(lái)說(shuō)， Tripos已經(jīng)不只是一場(chǎng)考試，它已成為一種制度。劍橋大學(xué)數(shù)學(xué)榮譽(yù)學(xué)位考試內(nèi)容是強(qiáng)調(diào)混合數(shù)學(xué)，包括力學(xué)、流體動(dòng)力 學(xué)、天文

11、學(xué)、引力論，以及幾何光學(xué)和物理光學(xué)。19世紀(jì)30年代，惠威爾成功地引進(jìn)了一些更為物理學(xué)的課題：光的能動(dòng)理論、熱、電、磁，使學(xué) 生的課程增加了，也沖破了學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)只是為了提高普通教育水平的局限性。 1854年，麥克斯韋以第二名的成績(jī)順利通過(guò)了數(shù)學(xué)榮譽(yù)學(xué)位考試。完成數(shù)學(xué)榮譽(yù)考試以后，麥克斯韋成了劍橋大學(xué)霍普金斯教授的研究生，并開(kāi)始去聽(tīng)斯托克斯的流體靜力學(xué)、氣體力學(xué)和光學(xué)等課程；在開(kāi)始 解釋流體的性質(zhì)和流體動(dòng)力學(xué)的方程時(shí)，斯托克斯討論了流體的波和聲的 理論以及光的波動(dòng)理論。麥克斯韋已經(jīng)熟習(xí)光的波動(dòng)論和熱、電、磁理論， 對(duì)這些問(wèn)題是19世紀(jì)40年代的數(shù)學(xué)物理學(xué)界爭(zhēng)論的熱點(diǎn)問(wèn)題。麥克斯韋 的興趣并不完全限

12、于課堂上的那些課程，他對(duì)電的理論、分析圖解法和顏 色的混合理論做了大量的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，并熟習(xí)W.湯姆遜對(duì)法拉第電磁場(chǎng)概念的發(fā)展?；羝战鹚故亲钤缯J(rèn)識(shí)到麥克斯韋是天才的人；他對(duì)他的同事羅 森(Laws on W.N)說(shuō)道：“毫無(wú)疑問(wèn)，麥克斯韋是我所遇到的最出色的杰 出人物；從表面看，他沒(méi)有什么特別之處，雖然有時(shí)他也在分析中出錯(cuò)； 但他又顯出是一個(gè)天才，他有一些奇特的品質(zhì)，我可以預(yù)言總有一天，他 會(huì)像太陽(yáng)那樣照耀物理學(xué)界。”在劍橋，麥克斯韋進(jìn)步很快，不出四年就學(xué)完了當(dāng)時(shí)所有先進(jìn)的數(shù)學(xué)方 法，成了一名年輕有為的數(shù)學(xué)家。1854年，他在給 W湯姆遜的一封信中表達(dá)了重返物理學(xué)領(lǐng)域攻克電學(xué)的強(qiáng)烈愿望。起初，他

13、研究的課題是光的色 散理論；不久，他接受了W湯姆遜的建議開(kāi)始研讀法拉第的電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究一書(shū)時(shí)，立即被書(shū)中新穎的實(shí)驗(yàn)和見(jiàn)解所吸引，他迅速以極大的熱情 投入了這個(gè)大有作為的研究領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)，電磁學(xué)在實(shí)驗(yàn)研究方面的四大定 律(庫(kù)侖定律、高斯定律、安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律)已先后建立， 特別是法拉第長(zhǎng)期堅(jiān)持對(duì)抗磁體的研究，并于1851年發(fā)表了論磁力線一文。這篇文章中蘊(yùn)藏著朦朧的電磁場(chǎng)論的思想，這些先決條件為麥克斯 韋的創(chuàng)造性研究準(zhǔn)備了肥田沃土。麥克斯韋畢業(yè)后留校工作，1855年10月，麥克斯韋成為三一學(xué)院校友會(huì)成員。正是劍橋?yàn)樗麥?zhǔn)備了舞臺(tái)，性情一致的好友，第一流的科學(xué)家，與這些人經(jīng)常在一塊討論問(wèn)題和消

14、遣使他進(jìn)步很快。正在這時(shí)，麥克斯韋 的父親身體狀況日益惡化，他有意回愛(ài)丁堡去照顧父親。恩師福布斯告訴 他，阿伯丁的馬里斯舍爾學(xué)院的自然哲學(xué)教授去世了，問(wèn)他有沒(méi)有興趣取 得這個(gè)職位。在那個(gè)時(shí)代，大多數(shù)教授的年紀(jì)都很輕，由于聽(tīng)從導(dǎo)師福布 斯的勸告，麥克斯韋 23歲時(shí)就如愿以?xún)數(shù)爻蔀榘⒉●R里斯舍爾學(xué)院的自 然哲學(xué)教授。三、劃時(shí)代的三篇論文3.1論文的前期準(zhǔn)備法拉第是19世紀(jì)最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他在電學(xué)、磁學(xué)、電化學(xué)和光學(xué)等方面都做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)著名 的是電磁感應(yīng)定律、電解定律和磁光效應(yīng)；法拉第的卓越貢獻(xiàn)是和他豐富 而深刻的物理思想密切聯(lián)系的。當(dāng)麥克斯韋剛剛開(kāi)始電磁學(xué)研究時(shí)，電磁 學(xué)才走過(guò)

15、了三十年的歷程。這三十年中充滿(mǎn)著超距電動(dòng)力學(xué)與法拉第的電 磁場(chǎng)論的斗爭(zhēng)；對(duì)麥克斯韋來(lái)說(shuō)，法拉第的理論更為合理、更為充實(shí)，他 決心用一種嚴(yán)格的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)翻譯法拉第理論。正如他后來(lái)在他的專(zhuān)著電磁場(chǎng)通論中所說(shuō)：“法拉第看到了橫貫整個(gè)空間的力線，而數(shù)學(xué)家們?cè)?那里只看到在一個(gè)距離上作用的吸引力的中心；法拉第看到了介質(zhì)，而他 們?cè)谀抢锍丝匆?jiàn)距離還是看見(jiàn)距離,當(dāng)我開(kāi)始研究法拉第時(shí)，我發(fā)覺(jué) 他考慮現(xiàn)象的方法也是一種數(shù)學(xué)方法，盡管不是用通常的數(shù)學(xué)符號(hào)的形式 來(lái)表示；我也發(fā)現(xiàn)，這種數(shù)學(xué)方法能夠表示成一般的數(shù)學(xué)形式，而且可以 與職業(yè)數(shù)學(xué)家的方法相媲美。”法拉第認(rèn)為帶電體和磁體周?chē)嬖谥撤N“特殊狀態(tài)”，他用電力

16、線和磁力線來(lái)描述這種狀態(tài)。他認(rèn)為力線是物質(zhì)的，充滿(mǎn)了整個(gè)空間，并把 相異的電荷或相異的磁極聯(lián)系起來(lái)。法拉第的力線思想是場(chǎng)概念的先聲， 許多物理學(xué)家都給以極高的評(píng)價(jià)，他被譽(yù)為場(chǎng)理論的創(chuàng)建人。W.湯姆孫推崇說(shuō)：“在法拉第的許多貢獻(xiàn)中，最偉大的一個(gè)就是力線概念了。我想借 助于它就可以把電場(chǎng)和磁場(chǎng)的許多性質(zhì)最簡(jiǎn)單而極富啟發(fā)性地表示出來(lái)。” 法拉第廣泛深入的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的電磁現(xiàn)象提供的簡(jiǎn)潔而深刻的超 距作用解釋深深地打動(dòng)了麥克斯韋。麥克斯韋還進(jìn)一步閱讀湯姆孫等人的 類(lèi)比研究，使得他更深刻地認(rèn)識(shí)到用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)表述法拉第力線思想的迫 切性。他從19世紀(jì)50年代中期到60年代中期，連續(xù)發(fā)表了三篇長(zhǎng)文論

17、法拉第的力線、論物理力線和電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論，為電磁場(chǎng) 理論的建立樹(shù)起耀眼的豐碑。3.2論法拉第的力線的發(fā)表 1856年，麥克斯韋完成了電磁學(xué) 領(lǐng)域的第一篇論文一一論法拉第的力線，該文他利用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的數(shù) 學(xué)工具對(duì)電磁場(chǎng)中的力線作了幾何學(xué)解釋?zhuān)逊ɡ诘牧€考慮成不可 壓縮的流體運(yùn)動(dòng)的流線。論法拉第的力線是麥克斯韋試圖用數(shù)學(xué)工具 表達(dá)法拉第學(xué)說(shuō)的開(kāi)端，也是將湯姆孫所作的類(lèi)比研究更進(jìn)一步延拓的嘗 試；它把力線和不可壓縮流體的流動(dòng)作為類(lèi)比。他的論文開(kāi)頭這樣說(shuō)到：“為了不用物理理論而得到思想，我們必須熟悉物理類(lèi)比的存在。所謂物 理類(lèi)比，我指的是一種科學(xué)的定律與另一種科學(xué)的定律之間的部分相似性， 它

18、使得這兩種科學(xué)可以互相說(shuō)明。于是，所有數(shù)學(xué)科學(xué)都是建立在物理學(xué) 定律與數(shù)的關(guān)系上，因而，精密科學(xué)的目的，就是把自然界的問(wèn)題簡(jiǎn)化為 通過(guò)數(shù)的運(yùn)算來(lái)確定各個(gè)量。從最普遍的類(lèi)比過(guò)渡到部分類(lèi)比，我們就可 以在兩種不同的產(chǎn)生光的物理理論的現(xiàn)象之間找到數(shù)學(xué)形式的相似性”。 從而把電磁現(xiàn)象中的電位移矢量、電場(chǎng)強(qiáng)度矢量與磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量、磁場(chǎng) 強(qiáng)度矢量區(qū)分開(kāi)來(lái)，使得電磁現(xiàn)象的描述中令人困惑的兩類(lèi)矢量各居其位， 并推動(dòng)了電磁場(chǎng)理論的研究工作沿著正確的道路前進(jìn)。同時(shí)，麥克斯韋接受了法拉第的磁體周?chē)囟ù嬖谀撤N“電緊張狀態(tài)” 的思想，并且找到了電緊張函數(shù)與描述磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度之間以及電緊張 函數(shù)與電磁感應(yīng)引起的電動(dòng)力

19、之間的聯(lián)系，用現(xiàn)在的語(yǔ)言表述就是變化的 磁場(chǎng)產(chǎn)生渦旋電場(chǎng)。麥克斯韋在這篇論文中未能將所有法拉第的物理模型 同自己的數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)起來(lái)，而僅僅試圖用數(shù)學(xué)語(yǔ)言去直接描述法拉第的 某些物理概念；因而麥克斯韋未能超越法拉第的工作而達(dá)到更新的高度。 法拉第讀完了麥克斯韋的論文后這樣說(shuō)道；“當(dāng)我看到了數(shù)學(xué)在解釋這個(gè) 問(wèn)題時(shí)的這種威力時(shí)”，一開(kāi)始我甚至感到驚駭。但后來(lái)，看到問(wèn)題競(jìng) 如此出色地經(jīng)受住了這一切時(shí)，我又感驚異”。1857年，法拉第抑制不住激動(dòng)的心情欣然向麥克斯韋寫(xiě)了一封長(zhǎng)信，對(duì)他的論文作出了中肯的評(píng)價(jià)，并對(duì)他的研究工作給予了熱情的鼓勵(lì)。3.3論物理力線的發(fā)表一一位移電流I860 年，麥克斯韋應(yīng)邀到倫

20、敦皇家學(xué)院任教，來(lái)到倫敦后不久，麥克斯韋特意拜訪了已是倫 敦皇家學(xué)院院長(zhǎng)的法拉第。這位實(shí)驗(yàn)大師已年近七旬，而麥克斯韋還未到 而立之年。雖然兩人年歲相差甚遠(yuǎn)，而且他們的研究方法截然不同；一個(gè) 專(zhuān)于實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)善長(zhǎng)理論。但兩位科學(xué)巨匠對(duì)物質(zhì)世界的看法卻產(chǎn)生了 共嗚，這使他們相見(jiàn)恨晚。在對(duì)電磁理論本質(zhì)規(guī)律的探索中，兩人在許多 方面是互補(bǔ)的；愛(ài)因斯坦后來(lái)把他們倆稱(chēng)為一對(duì)。法拉第在四年前已經(jīng)拜 讀了麥克斯韋的論文，見(jiàn)面后才知道論文的作者如此年輕。當(dāng)麥克斯韋征 求這位古稀老人對(duì)論文的看法時(shí)，法拉第謙虛地說(shuō)：“我不認(rèn)為自己的學(xué) 說(shuō)一定是真理，但你是真正理解它的人”。他接著又說(shuō)：“但你不應(yīng)該停 留在用數(shù)學(xué)解釋

21、我的觀點(diǎn)，而應(yīng)該突破它”。這位古稀老人激動(dòng)的鼓勵(lì)， 深深地牽動(dòng)著麥克斯韋的心，經(jīng)過(guò)兩年的苦心研究，麥克斯韋于1862年在英國(guó)著名的哲學(xué)雜志上以論物理力線為題，發(fā)表了他的第二篇電 學(xué)研究論文。論物理力線一文試圖將第一篇論文所作的類(lèi)比研究進(jìn)一步推進(jìn)到 建立電磁作用的力學(xué)模型。他吸取了前人的思想，把傳遞磁相互作用的磁 以太想象為一些分子渦旋，把傳遞電相互作用的電以太想象為分子渦旋之 間與之嚙合的可動(dòng)的細(xì)微粒子。靠著它們的嚙合運(yùn)動(dòng)說(shuō)明電流產(chǎn)生磁場(chǎng)、 電磁感應(yīng)以及靜電相互作用。在這個(gè)模型的基礎(chǔ)之上，麥克斯韋對(duì)變化的 磁場(chǎng)能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象進(jìn)行了深入的分析，認(rèn)為即使不存在導(dǎo)體回 路，變化的磁場(chǎng)通過(guò)媒介

22、也會(huì)激發(fā)一種場(chǎng)，他稱(chēng)這種場(chǎng)為感應(yīng)電場(chǎng)或渦旋 電場(chǎng)。同時(shí)麥克斯韋還發(fā)現(xiàn)：在連接交變電源的電容器中，電介質(zhì)內(nèi)并不 存在自由電荷，也就是沒(méi)有傳導(dǎo)電流，但磁場(chǎng)卻同樣存在。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考 和分析，麥克斯韋毅然指出：這里的磁場(chǎng)是由另一種類(lèi)型的電流形成的。 這種電流存在于任何電場(chǎng)變化的電介質(zhì)中，麥克斯韋把這種電流稱(chēng)為“位 移電流”。這篇文章一刊出立即引起了廣泛的注意和爭(zhēng)論，這是一篇?jiǎng)潟r(shí) 代的論文，它與1856年論法拉第力線相比有了質(zhì)的飛躍。“渦旋電場(chǎng)”和“位移電流”的概念是這篇文章的杰出之處。麥克斯韋后來(lái)認(rèn)識(shí)到：論物理力線一文有兩點(diǎn)重要進(jìn)展脫胎于頗 為怪誕的以太力學(xué)模型，這一模型使許多物理學(xué)家爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。他本

23、來(lái)也 認(rèn)識(shí)到這個(gè)力學(xué)模型的暫時(shí)性；他在文中寫(xiě)道：“這是力學(xué)上可以想象和 便于研究的一種聯(lián)系模型，它適宜于顯示已知電磁現(xiàn)象之間真實(shí)的力學(xué)聯(lián) 系。因此，我敢于說(shuō)任何理解到這一假設(shè)的暫時(shí)性質(zhì)的人將會(huì)發(fā)現(xiàn)，在他 真正理解這些現(xiàn)象之后的研究中利必大于弊?！丙溈怂鬼f頗感到需要另辟 溪徑，直接面對(duì)電磁場(chǎng)的研究課題，緊緊握住已揭示的電磁場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系 和運(yùn)動(dòng)特征及建立電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論。3.4電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論1864年，麥克斯韋向皇家學(xué)會(huì)提交了他的第三篇電學(xué)論文電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論，這是一篇關(guān)于電磁場(chǎng)理 論最重要的總結(jié)性論文。他于1864年12月8日在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)宣讀，并于1865年發(fā)表在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)報(bào)上。通

24、過(guò)前兩篇論文關(guān)于力線與恒 定流速場(chǎng)的類(lèi)比研究以及電磁以太力學(xué)模型的闡述，麥克斯韋把握電場(chǎng)和 磁場(chǎng)中最本質(zhì)的特征就是渦旋電場(chǎng)、位移電流和電磁波的概念。他感到需 要在實(shí)驗(yàn)事實(shí)和普遍的動(dòng)力學(xué)原理的基礎(chǔ)上提出一個(gè)全新的理論框架一一 電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論。為此，他在這篇論文的引言中首先評(píng)論了韋伯和諾埃曼的超距作用電 磁理論的成就及其機(jī)制上的根本困難，指出不能把這個(gè)理論看作最終的真 理。他寧愿尋求對(duì)事實(shí)的另一解釋?zhuān)醇僭O(shè)電磁作用是由周?chē)劫|(zhì)引起的。 他以非凡的理論家的氣魄，高屋建瓴地直接提出了電磁場(chǎng)的動(dòng)力理論的命 題。他在這篇論文中系統(tǒng)地總結(jié)了從庫(kù)侖、安培到法拉第以及他自己的研 究成果，提出了一共包含20個(gè)

25、變量的20個(gè)方程式，即著名的麥克斯韋方程組。在論文接下去的幾部分中，麥克斯韋廣泛地討論了各種電磁現(xiàn)象， 如場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的載流導(dǎo)體、磁體以及帶電體的機(jī)械作用、靜電效應(yīng)的測(cè)量、 電容和電吸收、電磁波的性質(zhì)和電磁擾動(dòng)在晶體媒質(zhì)中的傳播以及電磁感 應(yīng)系數(shù)的計(jì)算等等。文中寫(xiě)道：“我提出的這個(gè)學(xué)說(shuō)可以稱(chēng)為電磁場(chǎng)理論， 因?yàn)樗P(guān)系到帶電體或磁體周?chē)目臻g。它可以稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)理論，因?yàn)樗?假定在那個(gè)空間存在著運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，在這些物質(zhì)中理應(yīng)產(chǎn)生可觀測(cè)到的電 磁現(xiàn)象”。麥克斯韋就這樣直接地預(yù)言了電磁波的存在。按著，麥克斯韋 從基本方程組導(dǎo)出波動(dòng)方程，證明了電磁波是一種橫波，并求得電磁波的 傳播速度在空氣中等于電量的電磁單

26、位與靜電單位之比，即等于空氣或真 空中的光速。他由此得出結(jié)論：“這一速度與光速如此接近，看來(lái)，我們 有強(qiáng)烈的理由斷定，光本身乃是以波的形式在電磁場(chǎng)中按電磁規(guī)律傳播的 一種電磁擾動(dòng)”一一這就是“光的電磁說(shuō)”。這樣，早先法拉第關(guān)于光的 電磁理論的朦隴猜想，由麥克斯韋把它變成了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)推論。四、格侖萊爾的悠閑與電磁場(chǎng)通論的出版4.1格倫萊爾的悠閑1865年，麥克斯韋辭去了皇家學(xué)院的教席，來(lái)到了故鄉(xiāng)格倫奈爾莊園，格侖奈爾是蘇格蘭加羅維地區(qū)的一個(gè)小山 村，這里到處是一望無(wú)際的丘陵綠草如茵。時(shí)而點(diǎn)綴著一些小小的平地和 清澈如鏡的湖泊，一叢叢的茂密矮樹(shù)林，一條條蜿蜒的溪流伸向蔚藍(lán)的天 際，”格侖奈爾的美麗

27、是天然的、未經(jīng)雕琢的，實(shí)在令人陶醉；不少有 社會(huì)地位的人在這里安了家。在格侖奈爾度過(guò)童年的麥克斯韋操一口地道 的鄉(xiāng)音一生也未曾改變。麥克斯韋離開(kāi)倫敦皇家學(xué)院至少有兩個(gè)理由：其一是他想重建格侖奈 爾，這是一種封建義務(wù)和家庭傳統(tǒng)，父親關(guān)于重建格侖奈爾的遺囑對(duì)他而 言是神圣的，一定要完成的，“父親想把這所房子擴(kuò)大規(guī)模，使它像一個(gè) 地方官員的宅邪，但他還沒(méi)有完成自己的工作就去世了。我一定要完成父 親未竟的事業(yè)。”麥克斯韋有不少資產(chǎn)足以支持他退休。在皇家學(xué)院期間， 教學(xué)和研究任務(wù)十分繁重，現(xiàn)在回到了家鄉(xiāng)，他想當(dāng)一個(gè)業(yè)余的科學(xué)家。 他說(shuō)，“現(xiàn)在我有了充足的時(shí)間進(jìn)行物理學(xué)實(shí)驗(yàn)和思考，這是有公職時(shí)做 不到的”

28、。他把自己的時(shí)間分成兩部分，一部分在家鄉(xiāng)，一部分在倫敦； 有時(shí)他還到國(guó)外去游歷。夏天是格侖奈爾最美好的季節(jié)；1867年，改建房子的計(jì)劃終于完成了，他過(guò)起了悠閑的蘇格蘭地主的生活。他與科學(xué)界的 主要人物如：斯托克斯、W.湯姆遜和泰特一直保持通信聯(lián)系，麥克斯韋與這些學(xué)識(shí)淵博的人交往得益甚多。他的郵件往往又大又重，以至于郵局專(zhuān) 門(mén)為他設(shè)了一個(gè)郵筒。他要反復(fù)修改自己的論文，還要為自己的朋友修改 或校對(duì)稿子，使他每天都有一堆事情需要處理。其二也是更重要的原因，麥克斯韋在倫敦皇家學(xué)院任教期間，由于長(zhǎng) 期含辛茹苦地工作把他弄得疲憊不堪；他最大的負(fù)擔(dān)是晚上上課，更糟的 是在冬天的晚上上課，教室里很冷，課后還要

29、對(duì)那些喜歡物理學(xué)和數(shù)學(xué)的 有天分的學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，這使他不能集中精力搞他想搞的研究工作。更為 痛情的是，以前許多優(yōu)秀的電磁學(xué)論文都是刊登在各種卷跌浩繁的學(xué)報(bào)上， 逐年累月漸漸被人遺忘；而且這些論文太深，學(xué)生們不敢問(wèn)津。于是，他 決定用一種統(tǒng)一的方法，按照一種統(tǒng)一的思想來(lái)總結(jié)近百年的電學(xué)成就和 他本人十多年來(lái)取得的成果。這種統(tǒng)一的方法就是動(dòng)力學(xué)的方法，這種統(tǒng) 一的思想就是法拉第的電磁場(chǎng)論的思想。4.2電磁場(chǎng)通論的創(chuàng)作在格侖奈爾，他以一種奔放的熱4 AmA fa麥克斯韋的手稿序/k Lb 14 L情于1866 1870年間投入一部偉大的著作電磁場(chǎng)通論的寫(xiě)作，準(zhǔn) 備對(duì)人類(lèi)近二百年來(lái)在電磁學(xué)領(lǐng)域的研究成

30、果作全面的總結(jié)。其中有庫(kù)侖、 安培、奧斯特、法拉第等人的創(chuàng)造性勞動(dòng)，也有 他本人的開(kāi)山之功。經(jīng)過(guò)幾年的甘苦，電磁學(xué) 通論的專(zhuān)著終于在1873年問(wèn)世。這部經(jīng)典著作， 共分兩卷，由四大篇構(gòu)成。第一篇包括13章，系統(tǒng)地闡述了靜電學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。第二篇包 括12章，闡述了穩(wěn)恒電流的基本規(guī)律和物質(zhì)導(dǎo)電 理論。第三篇包括 8章，論述了靜態(tài)磁場(chǎng)的基本理論和物質(zhì)的磁化特性。第四篇包括23章，闡述的是電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象之間的內(nèi)在關(guān)系。第四篇是全書(shū)中最重要的部分，麥克斯韋在此全面展開(kāi)地論 述了自己的研究成果。這就是將全部電磁現(xiàn)象所服從的規(guī)律概括為一組基 本方程，這就是為我們所熟知的麥克斯韋方程組。這一著名的方程組

31、把電 荷、電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)間的普遍聯(lián)系完全統(tǒng)一了起來(lái)，電磁波傳播的研究 和光的電磁理論是這部著作的精髓。在物理學(xué)史上，這一鴻篇巨著可以與 牛頓的自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理相媲美。這部偉大著作于1881年、1891年相繼再版；其中包含了作者許多保貴的資料和深?yuàn)W的見(jiàn)解。它對(duì)當(dāng)代物理 學(xué)家甚至對(duì)以后幾代物理學(xué)家來(lái)說(shuō)都是一個(gè)偉大而又不易達(dá)到的豐碑。他 的著作通過(guò)德國(guó)的赫茲和法國(guó)的龐加勒而傳遍了整個(gè)歐洲大陸。五、麥克斯韋電磁理論對(duì)后世的影響麥克斯韋電磁理論在他的生前并未得到充分的重視，他在英國(guó)的聲譽(yù)遠(yuǎn)不及法拉第。麥克斯韋的電磁理論未得到充分重視的原因是它里面隱含 的思想不易被理解，就像赫姆霍茲和玻爾茲曼這樣有異

32、常才能的人為了理 解它也要花費(fèi)好幾年的氣力。據(jù)說(shuō)當(dāng)玻爾茲曼讀到電磁場(chǎng)通論中的麥 克斯韋方程組時(shí)，他引用了歌德的話(huà)說(shuō)道：“寫(xiě)出這些符號(hào)的是上帝嗎？” 這個(gè)理論的統(tǒng)一力量受到不連貫性的損害；在英國(guó)，“論物理的力線”的 機(jī)械論類(lèi)比，比起電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論來(lái)說(shuō)有更大的吸引力。在歐洲大陸 上，對(duì)電荷的不完美的表述和電磁媒質(zhì)明顯的無(wú)理由的假定被看成是這個(gè) 理論不能成立的證據(jù)，超距作用的理論也解釋不了這個(gè)問(wèn)題。直到19世紀(jì)70年代中期，赫姆霍茲仍然很難接受麥克斯韋的理論，并把此時(shí)電磁學(xué)領(lǐng) 域稱(chēng)為“無(wú)路的荒原”。在他看來(lái)，麥克斯韋的理論只不過(guò)是這種情況的 數(shù)學(xué)特例加上物理學(xué)的假設(shè)而已。1876年之后，赫姆霍茲

33、不再花費(fèi)時(shí)間來(lái)研究電磁理論，但他于 1879年麥克斯韋去世后專(zhuān)門(mén)為柏林科學(xué)院設(shè)立了一 個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，鼓勵(lì)用實(shí)驗(yàn)批評(píng)地研究麥克斯韋理論的假設(shè)。在19世紀(jì)80年代，瑞利和吉布斯證明了麥克斯韋光方程體系對(duì)反射、折射、散射與實(shí)驗(yàn)完全 一致。19世紀(jì)80年代后期，赫茲開(kāi)始向麥克斯韋理論驗(yàn)證的目標(biāo)全面邁進(jìn) 并最終得到充分證實(shí)。到19世紀(jì)90年代，玻爾茲曼也已表明，折射率和麥克斯韋理論預(yù)言的一種氣體在實(shí)驗(yàn)上被確證。洛倫茲對(duì)光的研究為麥克 斯韋提出的光的電磁理論提供了越來(lái)越多的證據(jù)，他堅(jiān)信：麥克斯韋電磁 理論必定能擊敗歐洲大陸上流行的超距理論。其實(shí)，麥克斯韋理論的真正 力量并不在于導(dǎo)出了電磁的性質(zhì)，而在于在這個(gè)基礎(chǔ)

34、上成功地建立了他的理論體系。即使麥克斯韋在電磁場(chǎng)理論方面所做的貢獻(xiàn)只是為電磁學(xué)、光學(xué)奠定了當(dāng)代經(jīng)典理論的基礎(chǔ)，也是極為了不起的成就。事實(shí)上，麥克斯韋在這 個(gè)領(lǐng)域里的成就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典理論的范圍，把物理學(xué)大大推進(jìn)了一步。現(xiàn)在看來(lái)，麥克斯韋是當(dāng)代場(chǎng)論的先驅(qū)而且是廣義相對(duì)論的先驅(qū)；相對(duì)論 和量子論的形式正是電磁理論方法的某些方面結(jié)出的果實(shí)。在紀(jì)念麥克斯 韋誕生100周年時(shí)，愛(ài)因斯坦寫(xiě)道：“在麥克斯韋以前，人們以為，物理 實(shí)在一一就它應(yīng)當(dāng)代表自然界中的事件而論一一是質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)的變化完全 是由那些服從全微分方程的運(yùn)動(dòng)組成的。在麥克斯韋之后，他們則認(rèn)為， 物理實(shí)在是由連續(xù)的場(chǎng)來(lái)代表的，它服從偏微分方程，不能對(duì)它作機(jī)械論 的解釋。實(shí)在概念的這一變革，是物理學(xué)自牛頓以來(lái)的一次最深刻的和最 富有成效的變革?！睈?ài)因斯坦的評(píng)論既簡(jiǎn)潔又充滿(mǎn)歷史洞見(jiàn)。自量子力學(xué) 出現(xiàn)以后，麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論和在此基礎(chǔ)上的一些觀念就