法拉第(33)_學達書庫

三三

　　麥克斯韋從劍橋大學畢業以後，最初研究光的色彩理論。不久他讀到法拉第的《電學實驗研究》。用充滿力線的場取代牛頓的真空，用力在場中以波的形式和有限速度傳播取代牛頓的超距作用，這不同凡響的大膽見解，喚起了麥克斯韋活潑的想像力，引起了他的共鳴。然而，麥克斯韋也看到，法拉第的表述方法不嚴格，有漏洞，正是在這裡，他可以大顯身手，施展自己的數學才能。

　　1855年12月10日和1856年2月11日，麥克斯韋在劍橋大學宣讀了他的第一篇電磁學論文《論法拉第的力線》。他開宗明義，第一句話就是：「關於電的科學，目前的狀況對於思考特別不利。」

　　麥克斯韋想要改進這種狀況，但是他很謙虛地聲明說：他並不企圖在自己沒有作過什麼實驗的領域裡建立物理學理論，他不過是想運用法拉第的力線思想，把法拉第所發現的種種迥然不同的現象彼此之間的內在聯繫，清楚地展現在數學物理學家們面前。

　　怎樣才能做到這點：第一，要澄清物理概念，建立一個物理模型，以便類比和借鑒；第二，要運用數學工具，給出精確的數量關係。麥克斯韋把法拉第的充滿力線的場，比做一種假想的不可壓流體的流場。

　　採用這樣的模型，既有利於想像和思考，又可以借用流體力學的已有結果。法拉第對電流周圍的磁力線所作的物理描述，被麥克斯韋概括為一個矢量微分方程。

　　這是一個良好的開端，法拉第的物理直覺能力和麥克斯韋的數學分析技巧開始會合了。

　　法拉第讀到了麥克斯韋的《論法拉第的力線》。

　　他給年輕人寫信，表示祝賀和感謝。他很高興，終於又有了一個知音。

　　很不幸，正當麥基斯韋運用數學工具，對法拉第的力線進行深入研究的時候，傳來了父親病重的消息。

　　麥克斯韋幼年喪母，從小由父親帶大，父子兩人感情極深。為了照顧父親，麥克斯韋中斷了電磁學研究，離別劍橋大學，回到家裡，日夜守護在病床邊。這時，蘇格蘭北部阿伯丁港馬銳斯凱爾學院的自然哲學講席有了空缺，院方考慮讓麥克斯韋擔任。但是教職還沒有謀到，父親已經與世長辭。麥克斯韋悲痛萬分，過了很久才恢復過來。

　　1856年初冬，麥克斯韋來到馬銳斯凱爾學院。

　　他在那裡任教三年多，和院長的女兒結了婚。1860年馬銳斯凱爾學院和另一家學院合併，要裁減教職員，麥克斯韋離開了阿伯丁。他向母校愛丁堡大學申請自然哲學講席。一同申請的有3個人。論學問，麥克斯韋無疑是第一。在阿伯丁期間，他解開了土星光環之謎，用動力學的論證光環是由無數離散的質點構成的。在研究土星光環的過程中，遇到氣體動力學問題，同時受到克勞修斯工作的影響，麥克斯韋又運用統計方法，得到了氣體分子運動速度的分佈規律，後來稱做「麥克斯韋速度分佈律」。僅僅這兩項成就，就足以使麥克斯韋成為歐洲第一位的數學物理學家。

　　然而，愛丁堡大學當局對3個申請人進行了口試以後，麥克斯韋落選了，理由是「口頭表達能力欠佳，難以勝任教學工作。」

　　麥克斯韋在故鄉蘇格蘭碰了釘子。1860年秋天，倫敦皇家學院請他擔任教授，他和妻子一起來到倫敦，一個晴朗的秋日，麥克斯韋前去拜訪法拉第。

　　向這位20年來電磁學發展的核心人物致敬，是麥克斯韋的宿願，今天終於實現了。兩位神交一見如故，馬上談起他們共同關心的問題——力線、場、電磁、光法拉第與麥克斯韋的相會，在物理學史上具有偉大的象徵意義，它象徵著實驗和理論的結合，電磁學即將騰飛了。

　　法拉第比麥克斯韋年長40歲，他們的出身、所受的教育、性情、愛好迥然不同。一個來自社會最低層，一個門第高貴。一個連小學也沒有畢業，一個是名牌大學的高材生。法拉第講話娓娓動聽，引人入勝；麥克斯韋才思敏捷，言詞鋒利，卻不顧聽的人懂不懂，只管自己發揮。一個是實驗巨匠，一個是數學高手；一個善於運用直覺，把握住物理現象本質，設計妙巧的實驗，觀察、記錄、歸納；一個擅長建立物理模型，運用數學技巧，演繹、分析、提高。如果把他們兩個人的特點集於一身，那就是一個理想的物理學家。現在他們確實彙集在一起了。他們都堅信場的物質性，反對牛頓的超距作用；他們的目標是一致的——建立一個全新的、不從屬牛頓自然哲學體系的電磁學理論。

　　在中斷四年以後，麥克斯韋重新研究電磁問題。

　　他很快就得到了重要的新結果。1861、1862這兩年，麥克斯韋發表了四篇《論物理的力線》。他在第二篇中引入「位移電流」的概念，取得了關鍵性的突破。

　　法拉第發現電磁感應——變化的磁場激發電場，完全是通過實驗，他親眼目睹了激發出來的電場；麥克斯韋提出位移電流——變化的電場激發磁場，完全是通過理論分析，他並沒有真正看到磁場被激發出來。

　　這兩個發現就像電磁場理論的兩條腿，有了它們，場論就能站立起來，邁開大步前進了。變化的磁場激發電場，變化的電場又激發磁場；一直這樣下去：磁場→電場→磁場→電場這不就是波——電磁波嗎？

　　是的，就是電磁波。1865年麥克斯韋發表了一組完整的描述電磁場運動規律的方程，這組方程後來稱做麥克斯韋方程。方程中有一個常數，那是真空中的光速ｃ——每秒30萬公里。從麥克斯韋方程可以解出電磁波，而電磁波的傳播速度正好是這個常數ｃ。太妙了！法拉第19年前所作的大膽預言，33年前存放在皇家學會的那一紙文件中所作的大膽推測，在麥克斯韋方程中找到了理論根據。確實，光就是一種電磁波，電磁力的傳播就是用波的形式、每秒30萬公里的速度在電磁場中傳播的。光學和電磁學，這兩門似乎毫不相干的、古老而又年輕的科學結合起來了。真像奇跡一般，然而又不是奇跡。這是客觀世界的真實寫照，這是實驗和理論相結合的碩果。

　　就在這可紀念的1865年，麥克斯韋辭去了倫敦的教職，回到蘇格蘭老家倫萊厄莊園。他那位能幹而又潑辣的夫人，希望丈夫在鄉下釣魚，打獵過一種悠閒的鄉紳生活。可是麥克斯韋卻在家裡專心寫作，八年以後終於出版了《電學和磁學通論》。這部巨著的出版引起了轟動，但是能真正讀懂的卻寥寥無幾。

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