人物概述
詹姆斯·麥克斯韋 James Clerk Maxwell，1831年6月13日－1879年11月5日.
主要簡歷
1831年11月13日生於蘇格蘭的愛丁堡，自幼聰穎，父親是個知識淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育。10歲時進入愛丁堡中學學習14歲就在愛丁堡皇家學會會刊上發表了一篇關於二次曲線作圖問題的論文，已顯露出出眾的才華。1847年進入愛丁堡大學學習數學和物理。1850年轉入劍橋大學三一學院數學系學習，1854年以第二名的成績獲史密斯獎學金，畢業留校任職兩年。1856年在蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳任自然哲學教授。1860年到倫敦國王學院任自然哲學和天文學教授。1861年選為倫敦皇家學會會員。1865年春辭去教職回到家鄉系統地總吉他的關於電磁學的研究成果，完成了電磁場理論的經典巨著《論電和磁》，並於1873年出版，1871年受聘為劍橋大學新設立的卡文迪什試驗物理學教授，負責籌建著名的卡文迪什實驗室，1874年建成後擔任這個實驗室的第一任主任，直到1879年11月5日在劍橋逝世。
科學研究
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 1861年拍攝的世界上第一張彩色照片。
麥克斯韋於1873年出版了科學名著《電磁理論》。系統、全面、完美地闡述了電磁場理論。這一理論成為經典物理學的重要支柱之一。在熱力學與統計物理學方面麥克斯韋也作出了重要貢獻，他是氣體動理論的創始人之一。1859年他首次用統計規律得出麥克斯韋速度分布律，從而找到了由微觀兩求統計平均值的更確切的途徑。1866年他給出了分子按速度的分布函式的新推導方法，這種方法是以分析正向和反向碰撞為基礎的。他引入了馳豫時間的概念，發展了一般形式的輸運理論，並把它套用於擴散、熱傳導和氣體內摩擦過程。1867年引入了“統計力學”這個術語。麥克斯韋是運用數學工具分析物理問題和精確地表述科學思想的大師，他非常重視實驗，由他負責建立起來的卡文迪什實驗室，在他和以後幾位主任的領導下，發展成為舉世聞名的學術中心之一。
家庭環境
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和他的妻子。在愛丁堡大學，麥克斯韋獲得了攀登科學高峰所必備的基礎訓練。其中兩個人對他影響最深，一是物理學家和登山家福布斯，一是邏輯學和形上學教授哈密頓。福布斯是一個實驗家，他培養了麥克斯韋對實驗技術的濃厚興趣，一個從事理論物理的人很難有這種興趣。他強制麥克斯韋寫作要條理清楚，並把自己對科學史的愛好傳給麥克斯韋。哈密頓教授則用廣博的學識影響著他，並用出色的怪異的批評能力刺激麥克斯韋去研究基礎問題。在這些有真才實學的人的影響下，加上麥克斯韋個人的天才和努力，麥克斯韋的學識一天天進步，他用三年時間就完成了四年的學業，相形之下，愛丁堡大學這個搖籃已經不能滿足麥克斯韋的求知慾。為了進一步深造，1850年，他徵得了父親的同意，離開愛丁堡，到人才濟濟的劍橋去求學。
赫茲是德國的一位青年物理學家。麥克斯韋的《電磁學通論》發表之時，他只16歲。在當時的德國，人們依然固守著牛頓的傳統物理學觀念，法拉第、麥克斯韋的理論對物質世界進行了嶄新的描繪，但是違背了傳統，因此在德國等歐洲中心地帶毫無立足之地，甚而被當成奇談怪論。當時支持電磁理論研究的，只有波爾茨曼和赫爾姆霍茨。赫茲後來成了赫姆霍茨的學生。在老師的影響下，赫茲對電磁學進行了深入的研究，在進行了物理事實的比較後，他確認，麥克斯韋的理論比傳統的“超距理論”更令人信服。於是他決定用實驗來證實這一點。1886年，赫茲經過反覆實驗，發明了一種電波環，用這種電波環作了一系列的實驗，終於在1888年發現了人們懷疑和期待已久的電磁波。赫茲的實驗公布後，轟動了全世界的科學界，由法拉第開創、麥克斯韋總結的電磁理論，至此取得了決定性的勝利。麥克斯韋的偉大遺願終於實現了。
土星光環
早在1787年，拉普拉斯進行過把土星光環作為固體研究的計算。當時他曾確定，土星光環作為一個均勻的剛性環，它不會瓦解的原因要滿足兩個條件，一是它以一種使離心力與土星引力相平衡的速度運轉，二是光環的密度與土星的密度之比超過臨界值0.8，從而使環的內層與外層之間的引力超過在不同半徑處離心力與萬有引力之差。他之所以有如此推論，是因為，一個均勻環的運動在動力學上是不穩定的，任何輕微的破壞平衡的位移都會導致環的運動被破壞，使光環落向土星。拉普拉斯推測，土星光環是一個質量分布不規則的固體環。
到了1855年，理論仍然停留在此，而這中間，人們又觀測到了土星的一個新的暗環，和現在環中更進一步的分離現象，還有光環系統自從被發現以來二百年間整體尺度的緩慢變化。因此，一些科學家們提出了一個假說，來解釋土星光環在動力學上的穩定性，這個假說是：土星光環是：由固體流體和大量並非相互密集的物質構成的。麥克斯韋就根據這一假說進行了論述。他首先著手的是拉普拉斯留下的固體環理論，並確定了一個任意形狀環的穩定性條件。麥克斯韋依據環在土星中心造成的勢，列出了運動方程式，獲得了對勻速運動的勢的一階導數的兩個限制，然後由泰勒展開式又得到關於穩定運動二階導數的三個條件。麥克斯韋又把這些結果換成關於質量分布的傅立葉級數的前三個係數的條件。因而他證明了，除非有一種奇妙的特殊情形，幾乎每個可以想像的環都是不穩定的。這種特殊的情形是指一個均勻環在一點上承載的質量介於剩餘質量的4.43倍到4.67倍之間。但是這種特殊情況的固體環在不均勻的應力下會瓦解掉，所以固體環的理論假說是不能成立的。
麥克斯韋早在1849年在愛丁堡的福布斯實驗室就開始了色混合實驗。在那個時候，愛丁堡有許多研究顏色的學者，除了福布斯、威爾遜和布儒斯特外，還有一些對眼睛感興趣的醫生和科學家。實驗主要就是在於觀察一個快速鏇轉圓盤上的幾個著色扇形所生成的顏色。麥克斯韋和福布斯首先做出的一個實驗是使紅、黃、藍組合產生灰色。他們的實驗失敗了，而其中的主要原因是：藍與黃混合併不象常規那樣生成綠色，而是當兩者都不占優勢時產生一種淡紅色，這種組合加上紅色不可能產生任何灰色。
麥克斯韋起初想到他的母校愛丁堡大學去謀職，因為那裡他的老師福布斯已退職，需要一個自然哲學教授。同時應選的有三個人，校方決定用考試來決定錄用誰。在筆試方面；麥克斯韋的學問理所當然是第一，但是在口才上，麥克斯韋再次吃了虧。考試結果，麥克斯韋是最後一名，他的講課能力實在太差了。當時甚至愛丁堡的一家雜誌都發表評論文章，為愛丁堡大學失去這樣一個人才而惋惜。不過被選上的人也不差，那就是他中學和大學的同學泰特。麥克斯韋離開阿伯丁，又因此離開家鄉愛丁堡，他被聘為倫敦皇家學院的教授，妻子也一同前往。麥克斯韋於是開始了新的生活，在倫敦皇家學院，他完成了可以使他最終在物理學史上發射出光芒的電磁學理論。
電磁情緣
回顧電磁學的歷史，物理學的歷程一直到1820年的時候都是以牛頓的物理學思想為基礎的。自然界的“力”——熱、電、光、磁以及化學作用正在被逐漸歸結為一系列流體的粒子間的瞬時吸引或排斥。人們已經知道磁和靜電遵守類似引力定律的平方反比定律。在19世紀以前的40年中，出現了一種反對這種觀點的動向，這種觀點讚成“力的相關”。1820年，奧斯特發現的電磁現象馬上成了這種新趨勢的第一個證明和極為有力的推動力，但當時的人又對此捉摸不定和感到困惑。奧斯特所觀察到的電流與磁體間的作用有兩個基本點不同於已知的現象：它是由運動的電顯示出來的，而且磁體既不被引向帶電流的金屬線，也不被它推開，而是對於它橫向定位。同一年，法國科學家安培用數學方法總結了奧斯特的發現，並創立了電動力學，此後，安培和他的追隨者們便力圖使電磁的作用與有關瞬時的超距作用的現存見解調和起來。麥克斯韋的電學研究始於1854年，當時他剛從劍橋畢業不過幾星期。他讀到了法拉第的《電學實驗研究》，立即被書中新穎的實驗和見解吸引住了。在當時人們對法拉第的觀點和理論看法不一，有不少非議。最主要原因就是當時“超距作用”的傳統觀念影響很深。另一方面的原因就是法拉第的理論的嚴謹性還不夠。法拉第是實驗大師，有著常人所不及之處，但唯獨欠缺數學功力，所以他的創見都是以直觀形式來表達的。一般的物理學家恪守牛頓的物理學理論，對法拉第的學說感到不可思議。有位天文學家曾公開宣稱：“誰要在確定的超距作用和模糊不清的力線觀念中有所遲穎，那就是對牛頓的褻瀆！”在劍橋的學者中，這種分歧也相當明顯。湯姆遜也是劍橋里一名很有見識的學者之一。麥克斯韋對他敬佩不已，特意給湯姆遜寫信，向他求教有關電學的知識。湯姆遜比麥克斯韋大7歲，對麥克斯韋從事電學研究給予過極大的幫助。在湯姆遜的指導下，麥克斯韋得到啟示，相信法拉第的新論中有著不為人所了解的真理。認真地研究了法拉第的著作後，他感受到力線思想的寶貴價值，也看到法拉第在定性表述上的弱點。於是這個剛剛畢業的青年科學家決定用數學來彌補這一點。1855年麥克斯韋發表了第一篇關於電磁學的論文《論法拉第的力線》。
力線理論
麥克斯韋電磁方程組1862年，麥克斯韋完成了論文《論物理的力線》，麥克斯韋的物理力線理論就在於把磁場中的轉動這一假說從尋常的物質推廣到以太。他考慮了深置於不可壓縮流體中渦鏇的排列。在正常情況下，壓強在各方向是相同的，但轉動引起的離心力使每一渦鏇發生縱向收縮並施加經向壓強，這正模擬了法拉第力線學說中所提的應力分布。由於使每一渦鏇的角速度同局部磁場強度成正比，麥克斯韋得出了同已有的關於磁體、穩恆電流及抗磁體之間力的理論完全相同的公式。根據流體的觀察實驗，麥克斯韋認為各渦鏇之所以能沿同一指向自由轉動，是因為各渦鏇由一層微小的粒子同與它相鄰的渦鏇格開，這種粒子與電完全相同。
然而麥克斯韋並未滿足自己已有的成果而舉足不前，他仍然向電磁學領域的更深處前進。1863年，他在別人的幫助下完成了他的第三篇論文《論電學量的基本關係》，這是麥克斯韋電學研究中邁出的重要一步，在以往卻常常被人忽視。在這篇論文裡，他推廣傅立葉在熱的理論中開始的程式，宣布了同質量、長度、時間度有關的電學量和磁學量的定義，以便於提供對那種二元的電學單位制的第一個最完整透徹的說明。他引入了成為標準的記號，把量綱關係表示為用括弧括起來的質量、長度、時間量度的冪（音mì）的乘積，帶有各自的無量綱的乘數。在這一年，麥克斯韋已經找到了在電磁量與光速之間的一個純唯象性質的環節。
1865年他發表了第四篇論文《電磁場的動力學理論》，為解決與光速之間的純唯象問題提供了一個新的理論框架。它以實驗和幾個普遍的動力學原理為根據，證明了不需要任何有關分子渦鏇或電粒子之間的力的專門假設，電磁波在空間的傳播就會發生。在這篇論文中，麥克斯韋完善了他的方程式。他採用拉格朗日和哈密頓創立的數學方法，由該方程組直接導出了電場和磁場的波動方程，其波動的傳播速度為一個介電係數和導磁係數的幾何平均的倒數，這一速度正當等於光速。這一結果又再一次與麥克斯韋四年以前的推算結果完全一致。至此電磁波的存在是確定無疑的了。由此，麥克斯韋大膽的斷定，光也是一種電磁波。法拉第當年關於光的電磁論的朦朧猜想，經過麥克斯韋精心地計算而變成為科學的推論，法拉第與麥克斯韋的名字，從此像牛頓與伽利略的名字一樣，聯繫在一起，在物理學上閃爍著永久的光芒。麥克斯韋在一封信上曾談及他的這篇論文，他說：“我在完成一篇包含光的電磁理論，在我確信相反的理論產生以前，我認為這個理論是強大的武器。”從1865年開始，麥克斯韋辭去了皇家學院的教席，開始潛心進行科學研究，系統地總結研究成果，撰寫電磁學專著。
電磁專著
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋《電磁學通論》是一部經典的電磁理論著作，在這本大部頭的著作中，麥克斯韋系統地總結了人類在19世紀中葉前後對電磁現象的探索研究軌跡，其中包括庫侖、安培、奧斯特、法拉第等人的不可磨滅的功績，更為細緻、系統地概括了他本人的創造性努力的結果和成就，從而建立起完整的電磁學理論。這部巨著有著非同小可的歷史意義，可與牛頓的《數學原理》（力學）、達爾文的《物種起源》（生物學）相提並論。從安培、奧斯特，經法拉第、湯姆遜最後到麥克斯韋，通過幾代人的不懈努力，電磁理論的宏偉大廈，終於建立起來。這本書的出版，理所當然地成了物理學界的一件大事，當時麥克斯韋只有42歲，已經回到劍橋任實驗物理學的教授。人們早已通過他以前的幾篇卓有見地的論文而熟識了他，他的朋友和學生以及科學界的人士對他的這本書更是期待已久，爭相到各地書店去購買，以求先睹為快，所以書的第一版很快就被搶購一空。
麥克斯方程
麥克斯韋速率分布曲線這些新成果中最重要的是由麥克斯韋自己推導出來的。根據他的方程可以證明出電磁場的周期振盪的存在。這種振盪叫電磁波，一旦發出就會通過空間向外傳播。根據方程，麥克斯韋就可以表達出電磁波的速度接近300000公里（186000英里）／秒，麥克斯韋認識到這同所測到的光速是一樣的。由此他得出光本身是由電磁波構成的這一正確結論。因此，麥克斯韋方程不僅是電磁學的基本定律，也是光學的基本定律。的確如此，所有先前已知的光學定律可以由方程導出，許多先前未發現的事實和關係也可由方程導出。
可見光並不是唯一的一種電磁幅射。麥克斯韋方程表明與可見光的波長和頻率不同的其它電磁波也可能存在。這些從理論上得出的結論後來被海因利茨·赫茲公開演示證明了。赫茲不僅生產出而且檢驗出了麥克斯韋預言存在的不可見光波。幾年以後，伽格利耶爾摩·馬可尼證明這些不可見光波可以用於無線電通訊，無線電隨之問世。今天我們也用不可見光為電視通訊。X線、γ線、紅外線、紫外線都是電磁波幅射的其它一些例子。所有這些射線都可以用麥克斯韋方程來加以研究。
人物評價
《電磁學通論》雖然一搶而空，但是真正讀懂的人卻寥寥無幾。不久，就聽到有人批評它艱深難懂。當然，高度抽象的麥克斯韋微分方程，畢竟不像2×2=4那么簡單。單是兩個公式、幾個數學符號，就包羅了電荷、電流、電磁、光等自然界一切電磁現象的規律，這在一般人看來，確實是不可思議的。另外，還有一個更主要的原因，就是從麥克斯韋宣布他的理論以後，一直沒有人發現電磁波。而能否證明有電磁波存在，是檢驗麥克斯韋理論的關鍵。因此許多物理學家都抱著懷疑態度。就連從前熱情鼓勵麥克斯韋的威廉·湯姆生，也不敢肯定麥克斯韋的預言是否可靠。
麥克斯韋的電磁理論，在物理學上有劃時代的意義。遺憾的是，麥克斯韋本人沒有能夠證實自己的理論（在一定程度上可以說是“沒有去證實”）。這有客觀原因，也有主觀原因。由於環境和工作條件的限制，麥克斯韋一直沒有更多的機會從事電磁實驗。熱力學和分子物理學的研究，耗去了他大部分時間和精力。再有，他主要是個理論物理學家。就像他的學生弗萊明（1849～1945）後來所說的那樣，“他從理論上預言了電磁波的存在，但是好像從來沒有想到過要用什麼實驗去證明它。”法拉第一輩子都沒有離開過實驗，可以說沒有實驗就沒有法拉第。麥克斯韋恰好相反，他只是在倫敦的5年裡進行了一些有限的實驗，而且多半是氣體動力學方面的。他的寓所，靠近屋頂的地方有一間狹長的閣樓，那就是他的實驗室。他的妻子常常給他當助手，生火爐，調節室內溫度，條件相當簡陋。後來在皇家學院實驗室里，他作過一些電學實驗，也多只是測定標準電阻這一類工作。《電磁學通論》完成以後，麥克斯韋忙著籌建卡文迪許實驗室，整理卡文迪許（1731～1810）的遺著。
由於以上這些原因，電磁理論問世以後，在相當長的時間裡沒有得到承認。最初只有劍橋大學的一些青年物理學家支持它。許多人，包括一批有威望的科學家，對還沒有被證明的新理論，都採取觀望態度。勞厄（1879～1960）在《物理學史》中曾經這樣評論說：“儘管麥克斯韋理論具有內在的完美性，並且和一切經驗相符合，但是只能逐漸地被物理學家們接受。它的思想太不平常了，甚至像赫爾姆霍茨和波爾茨曼（1844～1906）這樣有異常才能的人，為了理解它也花了幾年的力氣。”
幾個春秋過去了。麥克斯韋把他的心血默默地獻給了卡文迪許實驗室。這座實驗室在1872年破土，到1874年完工。修建經費是一位鼓勵科學的公爵捐贈的。為了增添儀器，麥克斯韋也拿出了自己不多的積蓄。在整個籌建過程中，從設計、施工、儀器購置，直到大門上的題詞，麥克斯韋都親自過問。它是實驗室的創建人，也是第一任主任。後來相繼接替他的是瑞利（1842～1919）和約瑟夫·湯姆遜，湯姆遜以後是盧瑟福（1871～1937），他們都是世界第一流的物理學家。這座實驗室開花結果的時期在20世紀。大批優秀的科學人才，尤其是原子能物理方面的人才，都是從這裡培養出來的。
麥克斯韋最後幾年的主要工作，是整理卡文迪許留下的大量資料。這項由公爵委託給他的任務，工作相當繁重。卡文迪許是18世紀一位性情怪僻的英國著名物理學家和化學家。他曾經發現氫氣，確實水的化學組成，第一個計算地球的質量，在靜電學上也很有研究。他終身未娶，為人靦腆，喜歡離群索居，死後留下二十多扎沒有發表的科學手稿，大多涉及數學和電學，其中不少很有價值的東西埋沒了幾乎半個世紀。整理這些資料是一件非常細緻而困難的工作，麥克斯韋為了完成這項工作，作出了很大的犧牲：他放棄了自己的研究，耗盡了精力。
除了卡文迪許實驗室的日常事務以外，麥克斯韋每學期都要主講一門課，內容是電磁學或者熱力學。他在講台上熱心地宣傳電磁理論，推廣新學說。可惜聽眾不多。他本來就不善於講演，更何況電磁理論是那樣的高深，同傳統的物理學大相逕庭呢！1878年5月，他舉行了一次有關電話的科普講演。電話當時還是新事物，剛剛破土而出。1875年貝爾發明電話，第二年取得專利，1877年愛迪生公布阻抗式送話器。這些人類電信史上的新發明，引起了麥克斯韋莫大的興趣。可能，他當時已經預感到，他的理論總有一天會給這些發明插上雙翅，傳遍全球。
麥克斯韋後期的生活充滿了煩惱。他的學說沒有人理解，妻子又久病不愈。這雙重的不幸，壓得他精疲力盡。妻子生病以後，整個家庭生活的秩序都亂了。麥克斯韋對妻子一向體貼入微，為了看護妻子，他曾經整整三個星期沒有在床上睡過覺。儘管這樣，他的講演，他的實驗室工作，卻從來沒有中斷過。過分的焦慮和勞累，終於損害了他的健康。同事們注意到這位無私的科學家在漸漸地消瘦下去，面色也越來越蒼白。但是，他還是那樣頑強地工作。
1879年是麥克斯韋生命的最後一年。這一年的春天來得很晚，也格外冷。他的健康明顯惡化，但是他仍然堅持不懈地宣傳電磁理論。這時，他的講座只有兩個聽眾。一個是美國來的研究生，另一個就是後來發明電子管的弗萊明。這是一幕多么令人感嘆的情景啊！空曠的階梯教室里，只在頭排坐著兩個學生。麥克斯韋夾著講義，照樣步履堅定地走上講台，他面孔消瘦，目光閃爍，表情嚴肅而莊重。仿佛他不是在向兩個聽眾，而是在向全世界解釋自己的理論。
1879年11月5日，麥克斯韋患癌症去世，終年只有49歲。物理學史上一顆可以同牛頓交相輝映的明星隕落了。他正當壯年就不幸夭折，這是非常可惜的。他的理論為近代科學技術開闢了一條嶄新的道路，可是他的功績，在他活著的時候卻沒有得到人們重視。麥克斯韋的一生，是咤叱風雲的一生，也是自我犧牲的一生。這位科學巨匠生前的榮譽遠遠不及法拉第，直到他死後許多年，在赫茲證明了電磁波存在以後人們才意識到，並且公認他是“牛頓以後世界上最偉大的數學物理學家”。
麥克斯韋(1831-1879)。麥克斯韋是繼法拉第之後，集電磁學大成的偉大科學家。他依據庫侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發現和實驗成果，建立了第一個完整的電磁理論體系，不僅科學地預言了電磁波的存在，而且揭示了光、電、磁現象的本質的統一性，完成了物理學的又一次大綜合。這一理論自然科學的成果，奠定了現代的電力工業、電子工業和無線電工業的基礎。
