■ 邵瑞、程民治 / 文

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell, 1831～1879）是英國杰出的理論物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一，他被譽(yù)為是繼法拉第之后集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家，與牛頓和愛因斯坦齊名。

2015年距離阿拉伯學(xué)者海什木的5卷本光學(xué)著作誕生恰好1000年。為了紀(jì)念千年來人類在光學(xué)領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)，尤其是光技術(shù)在世界各國的能源、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中所占的舉足輕重的地位，聯(lián)合國大會(huì)決定將2015年定為“光和光基技術(shù)國際年”（簡(jiǎn)稱“國際光年”）。

在光學(xué)的千年發(fā)展史中，麥克斯韋創(chuàng)立的電磁場(chǎng)理論無疑是一座難以逾越的高峰。沒有電磁學(xué)就沒有現(xiàn)代光學(xué)、電工學(xué)、電子學(xué)，就不可能有電氣化和通信技術(shù)，也就不可能有現(xiàn)代文明。

本文簡(jiǎn)要介紹了麥克斯韋光輝燦爛的人生以及對(duì)科學(xué)的卓越貢獻(xiàn)。

麥克斯韋（1831～1879）出生于蘇格蘭首府愛丁堡。他的父親是一位思想開放、思維敏銳、注重實(shí)際的機(jī)械設(shè)計(jì)師，對(duì)麥克斯韋影響很大，使他較早地受到科學(xué)的熏陶。麥克斯韋在15歲那年向皇家學(xué)會(huì)遞交了一篇數(shù)學(xué)論文，并發(fā)表在《皇家學(xué)院學(xué)報(bào)》上。16歲時(shí)他考進(jìn)了愛丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，19歲時(shí)又轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)，跟隨著名數(shù)學(xué)家霍普金斯專攻數(shù)學(xué)。

1860年至1868年間麥克斯韋任倫敦皇家學(xué)院和劍橋大學(xué)物理學(xué)教授，1871年受聘劍橋大學(xué)首任實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授，并負(fù)責(zé)籌建該校第一所物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室——卡文迪什物理實(shí)驗(yàn)室。1874年該實(shí)驗(yàn)室竣工后，他又被任命為該實(shí)驗(yàn)室的第一任主任。1879年11月5日這位科學(xué)泰斗因病在劍橋逝世，年僅49歲。

在先前以及同時(shí)代物理學(xué)家工作的基礎(chǔ)上，麥克斯韋以其堅(jiān)忍不拔的科學(xué)精神，豐富的物理與數(shù)學(xué)知識(shí)，以及高超的睿智才思，嘔心瀝血，刻苦攻關(guān)，終于構(gòu)筑了一座集真、善、美于一體的電磁學(xué)理論大廈。

當(dāng)麥克斯韋剛剛開始電磁學(xué)研究時(shí)，電磁學(xué)才走過了短短數(shù)十年的歷程。1785年法國物理學(xué)家庫侖公布了用扭秤實(shí)驗(yàn)得到電力的平方反比定律，即庫侖定律，使電學(xué)進(jìn)入了定量研究的階段。1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，隨后英國物理學(xué)家法拉第經(jīng)過近十年的實(shí)驗(yàn)，在1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即磁產(chǎn)生電的效應(yīng)。法拉第反對(duì)超距作用說法，堅(jiān)信電磁的近距作用，認(rèn)為物質(zhì)之間的電力和磁力都需要由媒介傳遞，由此提出了“場(chǎng)”的概念。為了進(jìn)一步解釋場(chǎng)，對(duì)于磁相互作用，法拉第使用了磁力線（1831年）；對(duì)于電相互作用，他使用了電力線（1837～1838年），如此等等。法拉第力線為用場(chǎng)論的方法統(tǒng)一解釋各種物理現(xiàn)象提供了一條行之有效的途徑，包含有豐富的數(shù)學(xué)內(nèi)容。然而出身貧寒，無法受到較多教育的法拉第，對(duì)此卻無能為力。

如上所述，靠自學(xué)走上科學(xué)道路的法拉第，習(xí)慣以直觀形象的方式來表達(dá)他所發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。但是對(duì)于一般的物理學(xué)家而言，他們因恪守牛頓的物理學(xué)理論，而對(duì)法拉第的學(xué)說感到不可思議。例如有位天文學(xué)家曾公開宣稱：“誰要在確定的超距作用和模糊不清的力線觀念中有所遲疑，那就是對(duì)牛頓的褻瀆!”

麥克斯韋在劍橋求學(xué)期間讀到了法拉第的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》，深深地為法拉第的思想所吸引，但同時(shí)也看到了法拉第在定量表述上的缺陷。而麥克斯韋本人數(shù)學(xué)很好，獲得過三一學(xué)院數(shù)學(xué)競(jìng)賽獎(jiǎng)和斯密思數(shù)學(xué)獎(jiǎng)。抱著給法拉第的理論“提供數(shù)學(xué)方法基礎(chǔ)”的愿望，麥克斯韋下定決心將法拉第的天才思想以清晰準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)形式表示出來。

1855年他發(fā)表了第一篇電磁學(xué)論文《論法拉第的力線》。受物理學(xué)家威廉·湯姆孫（后受封為開爾文勛爵）的啟發(fā)，麥克斯韋把“力線”和不可壓縮流體進(jìn)行類比，塑造了電力線的數(shù)學(xué)模型。把電、磁學(xué)中的物理量從數(shù)學(xué)角度加以分類，提出“源”和“旋”的概念，同時(shí)還把流體中的通量和環(huán)流移植到電磁學(xué)中。雖然這篇論文從總體上可以說是對(duì)法拉第力線概念的“數(shù)學(xué)翻譯”，但這卻是麥克斯韋所邁開的至關(guān)重要的一步。后來麥克斯韋和法拉第在倫敦見面，法拉第鼓勵(lì)年輕的麥克斯韋不僅僅要用數(shù)學(xué)來解釋他的理論，還應(yīng)該作出進(jìn)一步的突破！麥克斯韋倍受鼓舞。

從1861～1862年，麥克斯韋在英國的《哲學(xué)雜志》上分四部分發(fā)表了他的第二篇電磁學(xué)論文《論物理力線》，比第一篇有了質(zhì)的飛躍。麥克斯韋認(rèn)識(shí)到類比方法固然可以抽象出來各種物理現(xiàn)象之間的共性，能迅速地推導(dǎo)出電磁場(chǎng)的一般規(guī)律，卻忽略了物理現(xiàn)象自身的特性。換句話說，電磁現(xiàn)象有別于流體力學(xué)現(xiàn)象，就是電與磁也各自存在獨(dú)特的性質(zhì)。

麥克斯韋在這篇文章中假設(shè)了一個(gè)新的模型“分子渦旋”。在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，引入了“電位移”的概念，從更高的層次上創(chuàng)造性地提出了“位移電流”和“渦旋電場(chǎng)”的兩大重要假設(shè)。

1865年，麥克斯韋發(fā)表了他的第三篇電磁學(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。這篇論文的目的，就是用動(dòng)力學(xué)的方法，全面概括電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特征和建立電磁場(chǎng)的方程。在這篇論文中，麥克斯韋明確宣告他提出的理論可以稱為“電磁場(chǎng)的理論”。

麥克斯韋為了把電磁場(chǎng)理論由介質(zhì)推廣到空間，假設(shè)在空間存在一種動(dòng)力學(xué)以太，它有一定的密度，具有能量和動(dòng)量：它的動(dòng)能體現(xiàn)磁的性質(zhì)，勢(shì)能體現(xiàn)電的性質(zhì)，它的動(dòng)量是電磁最基本的量，表示電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和傳力的特征。麥克斯韋在這個(gè)基礎(chǔ)上提出了一共包含20個(gè)變量的20個(gè)方程式，即著名的麥克斯韋方程組。奧利弗·赫維賽德和約西亞·吉布斯于1884年以矢量分析的形式重新構(gòu)建了該方程組，其微分形式為

這個(gè)方程組是麥克斯韋電磁理論的核心所在。

隨后，麥克斯韋辭去了皇家學(xué)院的工作，回到家鄉(xiāng)格倫萊莊園專心寫書。在1873年出版了他的電磁學(xué)專著《電磁學(xué)通論》。在這本著作中，麥克斯韋系統(tǒng)地總結(jié)了19世紀(jì)中葉前后，庫侖、安培、奧斯特、法拉第和他本人對(duì)電磁現(xiàn)象的研究成果，建立了完整的電磁理論。這部巨著有著劃時(shí)代的歷史意義，可與牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（力學(xué)）、達(dá)爾文的《物種起源》（生物學(xué)）相提并論。從庫侖、安培、奧斯特，經(jīng)法拉第、湯姆孫最后到麥克斯韋，通過幾代人的不懈努力，電磁理論的宏偉大廈，終于建立起來。

麥克斯韋方程組的對(duì)稱美，很久以前就已被科學(xué)家們所領(lǐng)悟和體味，并且該方程組長期以來也一直被科學(xué)界奉為科學(xué)美的力作，德國物理學(xué)家勞厄稱它是“美學(xué)上真正完美的對(duì)稱形式”。今天，崇尚科學(xué)美已成為現(xiàn)代科學(xué)精神的一個(gè)極其重要的組成部分。那么麥克斯韋方程組所滲透出的科學(xué)美，是如何呈現(xiàn)在我們面前的呢?

從數(shù)學(xué)形式上看，麥克斯韋方程組具有幾乎完美的對(duì)稱形式。在真空中如果沒有電荷也不存在電流，麥克斯韋方程組微分形式可以寫成

把公式中的E和B互換，得到，

電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的散度公式經(jīng)過互換后保持不變，從數(shù)學(xué)上來說兩者是完全對(duì)稱的。而旋度公式互換后僅相差一個(gè)負(fù)號(hào)，具有“反對(duì)稱性”，因此可以認(rèn)為電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度具有空間對(duì)稱性和時(shí)間對(duì)稱性。

從物理內(nèi)容上看，麥克斯韋方程組揭示了現(xiàn)實(shí)物理世界的對(duì)稱美。在電流不連續(xù)的區(qū)域，麥克斯韋方程組引入了“位移電流”的概念，它和渦旋電場(chǎng)這兩個(gè)物理概念是完全對(duì)稱的。渦旋電場(chǎng)代表變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，位移電流的本質(zhì)則是變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。兩個(gè)假設(shè)使電場(chǎng)和磁場(chǎng)的地位完全對(duì)等；完善的對(duì)稱性決定了變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)可以相互轉(zhuǎn)化，致使電場(chǎng)和磁場(chǎng)二者相互交織、結(jié)合成統(tǒng)一的電磁場(chǎng)整體。這個(gè)理論在科學(xué)史上具有重要意義，即預(yù)言了電磁波的存在——交變的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激發(fā)，以橫波的形式在空間傳播，這就是電磁波。

麥克斯韋對(duì)電磁波的波速作進(jìn)一步的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電磁波的速度只與介質(zhì)的電磁性質(zhì)有關(guān)，在以太（即真空）中傳播的速度，等于光在真空中傳播的速度。這不是偶然的巧合。麥克斯韋認(rèn)為“這一速度與光速如此接近，看來，我們有充足的理由斷定，光本身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)”。這就是麥克斯韋創(chuàng)立的光的電磁學(xué)說。

通過這個(gè)理論，麥克斯韋把電、磁完美的統(tǒng)一起來，并且把光也包括了進(jìn)來。麥克斯韋逝世9年后的1888年，德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁波的存在，電磁場(chǎng)理論取得了決定性勝利。在近代科學(xué)史上，這是繼牛頓統(tǒng)一物體相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律以后實(shí)現(xiàn)的第二次物理學(xué)大綜合，深刻地影響了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了從對(duì)稱美到統(tǒng)一美，也是美學(xué)在物理上的重大成果。

在《物理學(xué)的進(jìn)化》一書中，愛因斯坦和英費(fèi)爾德評(píng)論說：“這些方程的提出是牛頓時(shí)代以來物理學(xué)上一個(gè)最重要的事件，這不僅是因?yàn)樗膬?nèi)容豐富，而且還因?yàn)樗鼧?gòu)成了一種全新定律的典范。”

對(duì)麥克斯韋方程組對(duì)稱美的深入研究實(shí)質(zhì)上推動(dòng)了近代物理的發(fā)展。方程組在伽利略變換中具有不對(duì)稱性，是否說方程組的對(duì)稱美不能經(jīng)受物理變換的考驗(yàn)?回答是否定的。經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)了麥克斯韋方程組在洛侖茲變換下仍然保持對(duì)稱性，而伽利略變換僅是洛侖茲變換在速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)的極限。因此，麥克斯韋方程實(shí)際具有更高層次的對(duì)稱性。

愛因斯坦仔細(xì)審視了當(dāng)時(shí)物理學(xué)的發(fā)展過程，認(rèn)為這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)—方程式—對(duì)稱性的過程。他決定把整個(gè)過程逆向進(jìn)行，從對(duì)稱性的角度出發(fā)進(jìn)行研究。即先提出一個(gè)對(duì)稱來，然后問什么方程式是否符合這個(gè)對(duì)稱，再問這個(gè)方程式的結(jié)果會(huì)有什么實(shí)驗(yàn)?他做了七八年工作以后，得到了狹義相對(duì)論，這是對(duì)稱美在現(xiàn)代物理的又一重大成果。楊振寧先生把這種思想稱為“對(duì)稱性支配相互作用”原理。

麥克斯韋方程組的對(duì)稱性對(duì)近代物理的另一個(gè)啟示是磁單極子。變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也會(huì)激發(fā)電場(chǎng)；但是電荷能激發(fā)電場(chǎng)，卻沒有相應(yīng)的磁荷激發(fā)磁場(chǎng)；有運(yùn)動(dòng)電荷激發(fā)磁場(chǎng)，卻沒有運(yùn)動(dòng)的磁荷激發(fā)電場(chǎng)。假如磁荷存在，電磁場(chǎng)就能實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱。正是這種對(duì)稱性的思想，使湯姆遜等人在20世紀(jì)初就萌發(fā)了磁荷（磁單極子）可能存在的猜想。雖然目前還沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C實(shí)磁單極子的存在，但它一直是當(dāng)代物理學(xué)中基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)的重要課題，被看做解決一系列涉及微觀世界和宏觀世界重大問題的突破口。

麥克斯韋電磁理論的偉大無需多言，但他的電磁理論在他生前并未得到充分的重視。造成這種情況大致有兩點(diǎn)原因，一是麥克斯韋本人過于謙遜和低調(diào)，沒有充分地為自己的理論進(jìn)行宣傳和據(jù)理力爭(zhēng)；二是麥克斯韋理論相對(duì)于它所處的時(shí)代而言過于超前了。在當(dāng)時(shí)的自然觀背景下，人們很難理解電磁場(chǎng)理論所描繪的世界圖景。

麥克斯韋（ 圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

今天，麥克斯韋之所以被看作是與牛頓和愛因斯坦齊名的科學(xué)家，是因?yàn)殡姶艑W(xué)以其不可思議的有效性和無窮的生命力，強(qiáng)有力地推動(dòng)著全人類科學(xué)事業(yè)的蒸蒸日上，進(jìn)而為現(xiàn)代人謀福利。例如：物質(zhì)電磁性質(zhì)的研究推動(dòng)了材料科學(xué)的發(fā)展，建立在電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)上的光學(xué)研究拓寬了光學(xué)研究領(lǐng)域，如此等等，不一而足。

而對(duì)于普通人來說，感受最直接、最深刻的無疑是對(duì)電磁波和電磁輻射的研究導(dǎo)致的信息傳輸技術(shù)的飛躍。傳統(tǒng)的紙質(zhì)媒體一般稱為第一媒體，以電磁波為媒介的廣播和電視媒體則分別稱為第二媒體、第三媒體，相比于紙質(zhì)媒體具有信息傳播及時(shí)，傳播范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，一直是家庭、個(gè)人的首選。自20世紀(jì)60年代開始，“光纖之父'高錕提出在電話網(wǎng)絡(luò)中以光波代替電流，以玻璃纖維代替金屬導(dǎo)線傳遞信息，掀起了一場(chǎng)光纖通信的革命。光纖通信具有傳輸容量大，保密性好等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代通信的主要支柱之一，美、日、英、法等20多個(gè)國家己宣布不再建設(shè)電纜通信線路，致力于發(fā)展光纖通信。在此基礎(chǔ)上更是衍生了光纖網(wǎng)絡(luò)，被認(rèn)為寬帶網(wǎng)絡(luò)中多種傳輸媒介中最理想的一種。正是依賴于光纖提供的網(wǎng)速，才成就了今日幾乎無處不在、無所不能的互聯(lián)網(wǎng)。

除了在電磁學(xué)等方面的卓越貢獻(xiàn)，麥克斯韋設(shè)計(jì)并建立的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室科研效率之驚人，成果之豐碩，舉世無雙，在鼎盛時(shí)期甚至獲譽(yù)“全世界二分之一的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)都來自卡文迪什實(shí)驗(yàn)室。'電子、質(zhì)子、中子和DNA的發(fā)現(xiàn)就是其中的幾個(gè)典型的案例。

正如量子論的創(chuàng)立者普朗克指出的：“麥克斯韋的光輝名字將永遠(yuǎn)鐫刻在經(jīng)典物理學(xué)家的門扉上，永放光芒。從出生地來說，他屬于愛丁堡；從個(gè)性來說，他屬于劍橋大學(xué)；從功績(jī)來說，他屬于全世界。”