法拉第(33)_虚阁网

三三

　　麦克斯韦从剑桥大学毕业以后，最初研究光的色彩理论。不久他读到法拉第的《电学实验研究》。用充满力线的场取代牛顿的真空，用力在场中以波的形式和有限速度传播取代牛顿的超距作用，这不同凡响的大胆见解，唤起了麦克斯韦活泼的想象力，引起了他的共鸣。然而，麦克斯韦也看到，法拉第的表述方法不严格，有漏洞，正是在这里，他可以大显身手，施展自己的数学才能。

　　1855年12月10日和1856年2月11日，麦克斯韦在剑桥大学宣读了他的第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。他开宗明义，第一句话就是：“关于电的科学，目前的状况对于思考特别不利。”

　　麦克斯韦想要改进这种状况，但是他很谦虚地声明说：他并不企图在自己没有作过什么实验的领域里建立物理学理论，他不过是想运用法拉第的力线思想，把法拉第所发现的种种迥然不同的现象彼此之间的内在联系，清楚地展现在数学物理学家们面前。

　　怎样才能做到这点：第一，要澄清物理概念，建立一个物理模型，以便类比和借鉴；第二，要运用数学工具，给出精确的数量关系。麦克斯韦把法拉第的充满力线的场，比做一种假想的不可压流体的流场。

　　采用这样的模型，既有利于想象和思考，又可以借用流体力学的已有结果。法拉第对电流周围的磁力线所作的物理描述，被麦克斯韦概括为一个矢量微分方程。

　　这是一个良好的开端，法拉第的物理直觉能力和麦克斯韦的数学分析技巧开始会合了。

　　法拉第读到了麦克斯韦的《论法拉第的力线》。

　　他给年轻人写信，表示祝贺和感谢。他很高兴，终于又有了一个知音。

　　很不幸，正当麦基斯韦运用数学工具，对法拉第的力线进行深入研究的时候，传来了父亲病重的消息。

　　麦克斯韦幼年丧母，从小由父亲带大，父子两人感情极深。为了照顾父亲，麦克斯韦中断了电磁学研究，离别剑桥大学，回到家里，日夜守护在病床边。这时，苏格兰北部阿伯丁港马锐斯凯尔学院的自然哲学讲席有了空缺，院方考虑让麦克斯韦担任。但是教职还没有谋到，父亲已经与世长辞。麦克斯韦悲痛万分，过了很久才恢复过来。

　　1856年初冬，麦克斯韦来到马锐斯凯尔学院。

　　他在那里任教三年多，和院长的女儿结了婚。1860年马锐斯凯尔学院和另一家学院合并，要裁减教职员，麦克斯韦离开了阿伯丁。他向母校爱丁堡大学申请自然哲学讲席。一同申请的有3个人。论学问，麦克斯韦无疑是第一。在阿伯丁期间，他解开了土星光环之谜，用动力学的论证光环是由无数离散的质点构成的。在研究土星光环的过程中，遇到气体动力学问题，同时受到克劳修斯工作的影响，麦克斯韦又运用统计方法，得到了气体分子运动速度的分布规律，后来称做“麦克斯韦速度分布律”。仅仅这两项成就，就足以使麦克斯韦成为欧洲第一位的数学物理学家。

　　然而，爱丁堡大学当局对3个申请人进行了口试以后，麦克斯韦落选了，理由是“口头表达能力欠佳，难以胜任教学工作。”

　　麦克斯韦在故乡苏格兰碰了钉子。1860年秋天，伦敦皇家学院请他担任教授，他和妻子一起来到伦敦，一个晴朗的秋日，麦克斯韦前去拜访法拉第。

　　向这位20年来电磁学发展的核心人物致敬，是麦克斯韦的宿愿，今天终于实现了。两位神交一见如故，马上谈起他们共同关心的问题——力线、场、电磁、光法拉第与麦克斯韦的相会，在物理学史上具有伟大的象征意义，它象征着实验和理论的结合，电磁学即将腾飞了。

　　法拉第比麦克斯韦年长40岁，他们的出身、所受的教育、性情、爱好迥然不同。一个来自社会最低层，一个门第高贵。一个连小学也没有毕业，一个是名牌大学的高材生。法拉第讲话娓娓动听，引人入胜；麦克斯韦才思敏捷，言词锋利，却不顾听的人懂不懂，只管自己发挥。一个是实验巨匠，一个是数学高手；一个善于运用直觉，把握住物理现象本质，设计妙巧的实验，观察、记录、归纳；一个擅长建立物理模型，运用数学技巧，演绎、分析、提高。如果把他们两个人的特点集于一身，那就是一个理想的物理学家。现在他们确实汇集在一起了。他们都坚信场的物质性，反对牛顿的超距作用；他们的目标是一致的——建立一个全新的、不从属于牛顿自然哲学体系的电磁学理论。

　　在中断四年以后，麦克斯韦重新研究电磁问题。

　　他很快就得到了重要的新结果。1861、1862这两年，麦克斯韦发表了四篇《论物理的力线》。他在第二篇中引入“位移电流”的概念，取得了关键性的突破。

　　法拉第发现电磁感应——变化的磁场激发电场，完全是通过实验，他亲眼目睹了激发出来的电场；麦克斯韦提出位移电流——变化的电场激发磁场，完全是通过理论分析，他并没有真正看到磁场被激发出来。

　　这两个发现就像电磁场理论的两条腿，有了它们，场论就能站立起来，迈开大步前进了。变化的磁场激发电场，变化的电场又激发磁场；一直这样下去：磁场→电场→磁场→电场这不就是波——电磁波吗？

　　是的，就是电磁波。1865年麦克斯韦发表了一组完整的描述电磁场运动规律的方程，这组方程后来称做麦克斯韦方程。方程中有一个常数，那是真空中的光速ｃ——每秒30万公里。从麦克斯韦方程可以解出电磁波，而电磁波的传播速度正好是这个常数ｃ。太妙了！法拉第19年前所作的大胆预言，33年前存放在皇家学会的那一纸文件中所作的大胆推测，在麦克斯韦方程中找到了理论根据。确实，光就是一种电磁波，电磁力的传播就是用波的形式、每秒30万公里的速度在电磁场中传播的。光学和电磁学，这两门似乎毫不相干的、古老而又年轻的科学结合起来了。真像奇迹一般，然而又不是奇迹。这是客观世界的真实写照，这是实验和理论相结合的硕果。

　　就在这可纪念的1865年，麦克斯韦辞去了伦敦的教职，回到苏格兰老家伦莱厄庄园。他那位能干而又泼辣的夫人，希望丈夫在乡下钓鱼，打猎过一种悠闲的乡绅生活。可是麦克斯韦却在家里专心写作，八年以后终于出版了《电学和磁学通论》。这部巨著的出版引起了轰动，但是能真正读懂的却寥寥无几。

虚阁网(Xuges.com)