中外科学家发明家丛书:麦克斯韦_2-第4部分

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研究事业。　

　　　　　为了更直观透彻地研究电磁学这个新的课题，麦克斯韦设计了一个理论　

模型，试图对法拉第力线观念作进一步的探讨。这个模型完全建立在机械结　

构的类比上，有人称之为“以太模型”，现在看起来是一个相当枯燥复杂的　

结构，有一个英国的现代科学史学家，用了大量篇幅也没有解释清楚这个结　

构。事实上，在麦克斯韦的工作后期，他也舍弃了这个模型，但是当时麦克　

斯韦就是凭借这个模型，成功地作出了正确的判断和结论。　

　　　　　在对这个模型进行讨论的时候，麦克斯韦了发现了一个重要的事实，引　

起了他的注意。为了分析介质的性质，他根据已有的方法和结论，将电的静　

电单位与电磁单位相除，比值为一个常数，具有速度量纲，麦克斯韦惊奇地　

发现，这个数值竟恰好等于光速！　

　　　　　这难道不是巧合吗？为了这个发现，麦克斯韦感到非常兴奋。在妻子的　

帮助下他又反复检查了各项数据，确信没有一点差错。这是一个非常了不起　


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的发现，因为实际上意味着他算出了电磁波传播速度与光速一样。正是这个　

发现，促使麦克斯韦9年后断定光就是电磁波。　

　　　　　1862年，麦克斯韦完成了论文《论物理的力线》，在这篇论文中他叙述　

了“位移电流”的概念，并阐述了他的以太模型及有关介质的探讨。论文是　

以设计一种占有空间的介质的尝试开始的，这种介质应当可以用来说明法拉　

第那种与磁力线相联系的应力。这篇论文的结束就是我们刚才所谈的麦克斯　

韦发现。　

　　　　麦克斯韦在此把磁体描画成一种吸管，这种吸管一端在以太流体中吸入　

以太，而从另一端将以太排出。从几何学上来讲，在两个这样管子之间的流　

动与两个磁体之间的磁力线完全相同的，但从物理学上来讲这两种作用是相　

反的，两个磁体就象两端按平方比律关系相互吸引的两个管子，而不象两端　

相互排斥的两个管子。　

　　　　麦克斯韦的物理力线理论就在于把磁场中的转动这一假说从寻常的物质　

推广到以太。他考虑了深置于不可压缩流体中涡旋的排列。在正常情况下，　

压强在各方向是相同的，但转动引起的离心力使每一涡旋发生纵向收缩并施　

加经向压强，这正模拟了法拉第力线学说中所提的应力分布。由于使每一涡　

旋的角速度同局部磁场强度成正比，麦克斯韦得出了同已有的关于磁体、稳　

恒电流及抗磁体之间力的理论完全相同的公式。根据流体的观察实验，麦克　

斯韦认为各涡旋之所以能沿同一指向自由转动，是因为各涡旋由一层微小的　

粒子同与它相邻的涡旋格开，这种粒子与电完全相同。　

　　　　根据这种观点，电不是约束在导体内的流体，而成了一种在空间中传播　

的一种新实体。在导体中它可以自由运动（尽管受到阻力）；在绝缘体中（包　

括最主要的绝缘体——空气）中，它保持固定不动。电流的磁作用和感应作　

用当时被表示如下。假如用一根金属线将以太模型中的粒子线结合起来，当　

电流流动时，运动粒子便使与之相邻近的涡旋转动；这些涡旋由于有粒子固　

着于周围，就象齿轮那样，将运动传给其它的涡旋，使运动面无限扩大。这　

些涡旋就构成了力线。当第二根金属线参与进来以后，它平行于第一根金属　

线，并具有有限的电阻。金属线一的稳恒电流不会影响金属线二，但“一”　

中的任何变化会通过介入的粒子传递一个冲动，在金属线二中引起一个反向　

电流，这个电流通过电阻渐渐消耗掉，这一系列的运动就是感应。　

　　　　麦克斯韦在前两部分中运用了大量证据材料对结论作出了很好的证明。　

他的论文原打算也就到此结束，而且在第二部分印出来以前不打算写第三部　

分。这其间他一直在考虑着在整个电介质中电流与电荷感应的关系。1854　

年，他曾对汤姆逊说过，对流线与电力线之间类比的严格论述，只不过会引　

入传导的极端形式而已。麦克斯韦作出了在空间中传播电的图象，他通过使　

涡旋介质成为弹性介质的方法，提出了更好的描述，这些一部分来自于法拉　

第的科学观念启示；但麦克斯韦在研究的同时，也发现其中存在有很多矛盾。　

在以前，包括法拉第等许多人在内，人们在研究电流产生磁场时，指的总是　

传导电流，也就是在导体中自由电子的运动所形成的电流。麦克斯韦发现，　

例如在连接变电源的电容器中，电介质内并不存在自由电荷，也就是没有传　

导电流，但磁场却同样存在。麦克斯韦经过反复思考、计算和分析，他得出　

了两个惊人的结果。一是既然导体周围的电粒子现在能作弹性位移，那么变　

化着的电流就不再象管中的水那样是完全被约束的：它在某种程度上来说进　

入了金属线周围的空间。这也就是麦克斯韦对位移电流的最初认识。二是经　


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过缜密的运算，他认为电磁速度量纲几乎与光速相同。　

　　　　　从理论上引出位移电流的概念，是法拉第在电磁学上发现电磁感应后的　

又一重大突破。根据这一科学假设，麦克斯韦导出了两个非常复杂、抽象的　

微分方程式，在后来经过完善后，被称为麦克斯韦方程组。这组方程，从两　

方面发展了法拉第的成就，一是位移电流，它表明不仅变化的磁场产生电场，　

而且变化的电场也产生磁场；二是方程不仅完满地解释了电磁感应现象，还　

进行了理论推广，也就是凡是有磁场变化之处，其周围不论是导体或电介质，　

都有感应电场存在。　

　　　　　在《论物理的力线》一文中，麦克斯韦对前人的工作进行了创造性总结，　

电磁现象的规律，经过法拉第的实验研究、汤姆逊的类比研究，终于被麦克　

斯韦用不可动摇的严密的数学形式揭示出来。电磁学至此才开始成为一种科　

学的理论。　

　　　　　在自然科学的历史上，一般只有当某一科学发展到了高峰，才可能用数　

学公式表示成定律的形式。这些定律不仅能解释已知的物理现象，还可以揭　

示出某些尚未发现的东西。正如牛顿的万有引力定律在后来被人们所引用发　

现了海王星一样，麦克斯韦在《论物理的力线》一文中，预见了电磁波的存　

在。他指出，既然交变的电场会产生交变的磁场，而交变的磁场又会产生交　

变的电场，这种交变的电磁场就会以波的形式向空间散布开去。麦克斯韦的　

这篇论文，终于突破了法拉第的力线思想，作出了属于他的辉煌理论。这一　

年，他只有31岁。　

　　　　　然而麦克斯韦并未满足自己已有的成果而举足不前，他仍然向电磁学领　

域的更深处前进。1863年，他在别人的帮助下完成了他的第三篇论文《论电　

学量的基本关系》，这是麦克斯韦电学研究中迈出的重要一步，在以往却常　

常被人忽视。在这篇论文里，他推广傅立叶在热的理论中开始的程序，宣布　

了同质量、长度、时间度有关的电学量和磁学量的定义，以便于提供对那种　

二元的电学单位制的第一个最完整透彻的说明。他引入了成为标准的记号，　

把量纲关系表示为用括弧括起来的质量、长度、时间量度的幂　（音mì）的乘　

积，带有各自的无量纲的乘数。在这一年，麦克斯韦已经找到了在电磁量与　

光速之间的一个纯唯象性质的环节。　

　　　　　1865年，他发表了第四篇论文《电磁场的动力学理论》，为解决与光速　

之间的纯唯象问题提供了一个新的理论框架。它以实验和几个普遍的动力学　

原理为根据，证明了不需要任何有关分子涡旋或电粒子之间的力的专门假　

设，电磁波在空间的传播就会发生。在这篇论文中，麦克斯韦完善了他的方　

程式。他采用拉格朗日和哈密顿创立的数学方法，由该方程组直接导出了电　

场和磁场的波动方程，其波动的传播速度为一个介电系数和导磁系数的几何　

平均的倒数，这一速度正当等于光速。这一结果又再一次与麦克斯韦四年以　

前的推算结果完全一致。至此电磁波的存在是确定无疑的了。由此，麦克斯　

韦大胆的断定，光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁论的朦胧猜想，　

经过麦克斯韦精心地计算而变成为科学的推论，法拉第与麦克斯韦的名字，　

从此像牛顿与伽利略的名字一样，联系在一起，在物理学上闪烁着永久的光　

芒。麦克斯韦在一封信上曾谈及他的这篇论文，他说：　

　　　　　　“我在完成一篇包含光的电磁理论，在我确信相反的理论产生以前，我　

认为这个理论是强大的武器。”　

　　　　　从1865年开始，麦克斯韦辞去了皇家学院的教席，开始潜心进行科学研　


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究，系统地总结研究成果，撰写电磁学专著。　


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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　六、　《电磁学通论》　



　　　　　经过了八年的艰苦努力，1873年，麦克斯韦的一部电磁学专著终于问世　

了，书名叫作《电磁学通论》。　

　　　　　在《电磁学通论》中，麦克斯韦比以前更为彻底地应用了拉格朗日的方　

程，推广了动力学的形式体系。这一时期前后，英国和欧洲大陆的数学家中　

间普遍倾向于更广泛地在物理学问题中使用分析动力学的方法，麦克斯韦的　

做法与数学家的方法不谋而合。而且他的方法和见地新颖，使很多人为之吸　

引。通过把这种流行的研究倾向动用于电磁学，他使时尚变成了他特有的结　

果。麦克斯韦采用风格极为新式的关于项的对称性与矢量结构的论证，以最　

普遍的形式表示出电磁系统的拉格朗日函数。麦克斯韦对拉格朗日方法的运　

用，就其几乎是通往物理学理论的一条新途径来说，这是第一次尝试。过了　

很多年，其他物理学家才充分地运用这一方法来研究电磁学领域。　

　　　　　在《电磁学通论》中，麦克斯韦用了一章的篇幅专门来谈磁光效应。因　

为他卓有成效地应用了对称性的考虑，他就使汤姆逊1856年作出的论证有了　

一个坚实的严格的基础，并且证明凡是对偏振光平面旋转的动力学解释都必　

定依靠磁场中的局部旋转。在后来的理论中，磁感应强度是一个轴矢量，而　

物质中的电子则绕外加场进行运动：这些是分子涡旋假说背后的真理部分。　

独具匠心的是，麦克斯韦并没有使自己的思考局限于一般的对称性论证上，　

他通过试图想出反例的办法来检验这一理论，他曾说：“我也已尝试了除我　

已宣布的那些假说以外的许多重要假说来解释磁光效应，并且对于可能产生　

旋转的条件正好被一开始未看到的其他条件推翻的情况感到惊愕。”　

　　　　　在《电磁学通论》中，麦克斯韦在完成了动力学类比之后的下一步是导　

出一组描述电磁场的8个方程式。这组方程式是按照《电磁学通论》中所采　

用的形式，列出在带有辅助方程的表格中。这些方程式所体现的原理是：电　

磁过程是由各个电荷或磁化体各自独立地对周围空间作用传递的，而不是由　

直接的超距作用传递的。关于运动的带电体之间的力的公式确实可以从麦克　

斯韦方程中推导出来，但该作用并不是沿着它们的连线，因此，只要考虑到　

同场之间的动量交换，它就能同动力学原理调和一致。　

　　　　　麦克斯韦叙述道：这些方程式是可以精简的，但“在我们进行探究的这　

个阶段，去掉一个表达有用的量，是得不偿失的。”后来他在他的第五篇主　

要论文中，也就是他1868年的《关于光的电磁理论的注释》中，他简化了这　

些方程组。　

　　　　　　《电磁学通论》是一部经典的电磁理论著作，在这本大部头的著作中，　

麦克斯韦系统地总结了人类在　19世纪中叶前后对电磁现象的探索研究轨　

迹，其中包括库仑、安培、奥斯特、法拉第等人的不可磨灭的功绩，更为细　

致、系统地概括了他本人的创造性努力的结果和成就，从而建立起完整的电　

磁学理论。这部巨著有着非同小可的历史意义，可与牛顿的《数学原理》（力　

学）、达尔文的《物种起源》（生物学）相提并论。从安培、奥斯特，经法　

拉第、汤姆逊最后到麦克斯韦，通过几代人的不懈努力，电磁理论的宏伟大　

厦，终于建立起来。　

　　　　　这本书的出版，理所当然地成了物理学界的一件大事，当时麦克斯韦只　

有42岁，已经回到剑桥任实验物理学的教授。人们早已通过他以前的几篇卓　

有见地的论文而熟识了他，他的朋友和学生以及科学界的人士对他的这本书　


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更是期待已久，争相到各地书店去购买，以求先睹为快，所以书的第一版很　

快就被抢购一空。　

　　　　　　《电磁学通论》一书虽然被一抢而空，但真正能够理解书中所述理论的　

人却寥若星辰。过了一段时间，便有人发表文章，批评书的内容艰深难懂。　

在科学的道路上，这一切都是正常的，特别是高度抽象的麦克斯韦微分方程，　

毕竟不是1＋1=2这样的简单加法。仅仅用两个公式，几个数学符号，就包含　

了电荷、电流、电磁、光等自然界的一切与电磁有关的现象和规律，这在一　

般人的眼中和脑中，的确是不可思议的事情。另外，还有一个更主要的原因，　

那就是在麦克斯韦宣布了它的理论之后，一直还没有人真正发现电磁波，这　

使得他的理论更加陷入抽象。能否证明有电磁波存在，成了检验麦克斯韦理　

论的关键