经典电动力学之父:麦克斯韦

【简介】

1831年6月13日，詹姆斯·克拉克•麦克斯韦出生于英国爱丁堡。父亲是个知识渊博的律师。麦克斯韦很小便显露出数学天才，14岁时他就写了第一篇科学论文，次年发表在爱丁堡皇家学会的刊物上。1847年，他中学毕业后进入爱丁堡大学学习数学、物理学和哲学。1850年，转入剑桥大学三一学院，主攻数学和物理学。1854年，以第二名的成绩获得史密斯奖学金，毕业留校任职两年。1856年，麦克斯韦开始担任苏格兰阿伯丁郡的马里查尔学院的自然哲学教授。1860年，他到伦敦任皇家学院自然哲学及天文学教授。1865年春，辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》(于1873年出版) .1871年，受聘为剑桥大学的实验物理学教授，负责筹建该校的第一所物理学实验室一一卡文迪许实验室。1874年建成后，他担任了这个实验室的第一任主任。1879年11月5日，在剑桥逝世，终年只有48岁。他成为牛顿之后、爱因斯坦之前最重要的物理学家。

【简史】

麦克斯韦从剑桥大学毕业后不久就开始研究电磁学。他选择了“场”的概念作为研究的出发点。在1855年至1864年间，麦克斯韦从场的观点对法拉第的电磁感应定律进行了理论分析，提出了著名的麦克斯韦方程组。这组方程不仅标志着经典物理学大厦的最后建成，而且预见了电磁波的存在，并证明电磁波传播的速度与真空中的光速是相同的。在此基础上，麦克斯韦认为光是频率介于某一范围之内的电磁波。这是人类在认识光的本性方面的又一大进步。正是基于这一点，人们认为麦克斯韦把光学和电磁学统一起来了。

麦克斯韦是继法拉第之后，集电磁学大成的伟大的科学家。他依据库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人的一系列发现和实验成果，建立了第一个完整的电磁理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁等现象的本质上的统一性，完成了物理学的又一次大综合。电磁理论的产生和发展让人类的社会生活发生了翻天覆地的变化。这一自然科学的理论成果，奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。没有电磁理论，人类就不会有发电机、电动机、变压器，更不会有电灯、电报、电话、收音机、电视机、手机、电脑等产品形成的电力文明时代。而这一切都是电磁理论的产物，是人类智慧的结晶。可以说，电磁理论的形成和应用是科学时代到来的标志。电力的应用是继机械力之后最伟大的动力革命，其对社会经济和生活的意义更是远远地超出了机械力。而今天，电磁波已经成为了信息时代最基本的物质载体。

麦克斯韦的另一项重要工作是奠定了气体统计力学的基础。1855年，剑桥大学悬赏解决土星光环的组成和稳定性问题。麦克斯韦在尝试解决这一问题的过程中对大量碰撞物体的运动问题发生了兴趣，并试图用概率理论加以研究。1859年，他运用概率理论导出了著名的麦克斯韦速度分布率。统计观念的确立是近代物理学思想上的一个重要转变，它不仅在近代机械自然观上打开了一个缺口，而且为量子力学的建立和发展提供了思想武器和方法工具。

麦克斯韦筹建了剑桥大学的第一个物理实验室一一卡文迪许实验室。该实验室对整个实验物理学的发展产生了极其重要的影响，众多著名的科学家都曾经在该实验室工作过。从1874年至1989年，卡文迪许实验室一共产生了28位诺贝尔奖得主，该实验室也因此被誉为“诺贝尔物理学奖获得者的摇篮”。作为该实验室的第一任主任，麦克斯韦在1871年的就职演说中，对实验室未来的教学方针和研究精神作了精彩的论述，他的就职演说是科学史上一个具有重要意义的演说。虽然麦克斯韦自己是一个理论物理学家，但是他却清楚地知道实验的重要性。他批评当时英国传统的"粉笔"式物理学，呼吁加强实验物理学的研究及其在大学教育中的作用，为后世确立了实验科学精神。

【评价】

麦克斯韦建立了麦克斯韦方程组，创立了经典电动力学，并且预言了电磁波的存在，提出了尤的电磁说，是电磁学理论的集大成者，对构筑电磁学理论的科学体系有着卓越的贡献，是自牛顿以来最伟大的理论物理学家。

对于麦克斯韦的功绩，爱因斯坦做出了很高的许价，爱因斯坦在其自传中说：“在我求学的时代，最吸引人的题目就是麦克斯韦的理论”，“特殊的相对论起源于麦克斯韦的电磁场方程。”

在纪念麦克斯韦100诞辰周年的文集中，爱因斯坦写道：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”，“这样一次伟大的变革是同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字永远联系在一起的。这次革命的最伟大的部分出自麦克斯韦。”