电子科学发明家-第16部分
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
带有普遍性。
四年以前，法拉第曾经称赞过《论法拉第的力线》这篇论文，他没有料
到论文的作者竟这样年轻。当麦克斯韦征求他对论文的看法的时候，法拉第
说：“我不认为自己的学说一定是真理，但是你是真正理解它的人。”
“先生能给我指出论文的缺点吗？”麦克斯韦谦虚地说。
“这是一篇出色的论文。”法拉第沉思地说，“但是，你不应该停留在
用数学来解释我的观点，你应该突破它！”
法拉第的话象一盏明灯，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。他
马上用最大的热情投入新的战斗。
他设计了一个理论模型，试图对法拉第的力线观念作进一步探讨。这个
模型完全建立在机械结构的类比上，有人称它是“以太模型”，现在看上去
既枯燥又很不好懂。一位英国现代科学史家，用了一整页篇幅也没有说清楚。
事实上，麦克斯韦在晚期的著作里也舍弃了这个模型。奇怪的是，麦克斯韦
竟把它当作跳板，成功地登上了真理的彼岸。
大厦建立起来了！
在讨论以太模型的时候，麦克斯韦对自己发现的一个重要事实引起了极
大的注意。他分析了法拉第对电介质的研究以后，确认在电场变化着的电介
质中，也存在电流，他把这称做“位移电流”。另外，他还计算出这种电流
的速度。麦克斯韦惊奇地发现：位移电流的速度恰好等于光速！
这是偶然的巧合吗？天下哪有这样的巧事。他兴奋得几天都没有睡好
觉，妻子帮他仔细核对了好几遍，数据确实没有差错。这意味着他计算出了
电磁波的传播速度同光速是相等的，这是个非常了不起的发现，尽管他当时
还没有完全意识到这一点。几天后，他写信给法拉第报告了这个结果。他在
信里说，他计算出的电磁波的传播速度是“每秒310740公里”，而“十二年
以前菲索（1819－1896）用直接实验测定的光速，却是每秒314858公里！”
信寄出的时间是1861年十月十九日。法拉第有没有给他回信，史料上没有记
载。但是毫无疑问，正是这个发现，促使麦克斯韦四年以后断定光就是电磁
波。
1862年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》四卷二十三期上，发表了第二篇
电磁学论文《论物理学的力线》。文章一登出来，立刻引起了广泛的注意。
英国著名物理学家、电子的发现人约瑟夫·汤姆逊后来回忆说：“我到现在
还清晰地记得那篇论文。当时，我还是一个十八岁的孩子，一读到它，我就
兴奋极了！那是一篇非常长的文章，我竟把它全部抄下来了。”
这的确是一篇划时代的论文，它同1855年的《论法拉第的力线》相比，
… Page 64…
有了质的飞跃。论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译，而是作了重大的引
伸和发展。其中具有决定意义的一步，是引进了“位移电流”的概念。这以
前，包括法拉第在内，人们讨论电流产生磁场的时候，指的总是传导电流，
也就是在导体中自由电子运动所形成的电流。麦克斯韦在研究中感到这个旧
概念存在很大的矛盾。比如在连接交变电源的电容器中，电介质里并不存在
自由电荷，也就是没有传导电流，但是磁场却同样存在。麦克斯韦经过反复
思考和分析，毅然指出，这里的磁场是由另一种类型的电流形成的，这种电
流在任何电场变化着的电介质中都存在，它和传导电流一起，形成了闭合的
总电流。麦克斯韦通过严密的数学推导，求出了表示这种电流的方程式，把
它称做位移电流。
从理论上引出位移电流的概念，实在是电磁学上继法拉 135
第电磁感应以后的一项重大突破。根据这个科学假设，麦克斯韦推导出两个
高度抽象的微分方程式（方程式直到1865年才最后完善），这就是著名的麦
克斯韦方程式。这组方程式，从两方面发展了法拉第的成就。一是位移电流，
它表明不但变化着的磁场产生电场，而且变化着的电场也产生磁场；二是方
程式不但完满地解释了电磁感应现象，而且还在理论上进行了总结。就是凡
是有磁场变化的地方，它的周围不管是导体或者电介质，都有感应电场存在。
经过麦克斯韦创造性的总结，电磁现象的规律，终于被他用不可动摇的数学
形式揭示出来。电磁学到这时才开始成为一种科学的理论。
在自然科学史上，只有当某一种科学达到了高峰，才可能用数学表示成
定律形式。这些定律不但能够解释已知的物理现象，而且还可以揭示出某些
还没有发现的东西。正象牛顿的万有定律预见了海王星一样，麦克斯韦在《论
物理学的力线》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，交变的磁场又会产生交变的电场，那么，这种交变的电磁场就
会用波的形式向空间散布开去。当时，麦克斯韦才三十一岁，这是他一生中
最辉煌的一年。
麦克斯韦继续向电磁学领域的深度进军。1865年，他发表了第三篇电磁
学论文《电磁场动力学》。论文发表在《伦敦皇家学会学报》上。在这篇重
要文献中，麦克斯韦方程的形式更完善了。他采用法国数学家、力学家拉格
朗日（1736－1813）和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿（1805－1865）创立
的数学方法，由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程，电磁波的
传播速度根据那个波动方程的系数计算，正好等于光速！这同麦克斯韦四年
以前推算的那个比值完全一样。直到这个时候，电磁波的存在是确定无疑的
了！因此他大胆断定，光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁理论的
朦胧猜想，就这样由麦克斯韦变成了科学的理论。法拉第和麦克斯韦的名字，
从此联系在一起，就跟伽里略和牛顿的名字一样，在物理学上永放光彩。
麦克斯韦在伦敦皇家学院总共任教五年。这五年是他一生中的多产时
期。除了建立电磁理论以外，他在分子物理学、气体动力学上也都有贡献。
1865年，麦克斯韦正式宣布光的电磁学以后不久，就辞去皇家学院的教
席，回到他的家乡格伦莱庄园系统地总结研究成果，撰写电磁学专著。经过
几年苦干，他写的《电磁学通论》在1873年问世。这是一部电磁理论的经典
著作，麦克斯韦系统地总结了十九世纪中叶前后，库仑、安培、奥斯特、法
拉第和他本人对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论。这部巨著的
重大意义，完全可以同牛顿的《数学原理》（力学）和达尔文的《物种起源》
… Page 65…
（生物学）相比较，它也是人类智慧的结晶。
电磁理论的宏伟大厦，经过几代人的努力，巍然矗立起来了！《电磁学
通论》的出版成了当时物理学界的一件大事。当时麦克斯韦已经回到剑桥大
学任教，他的朋友和学生对这部书已经期待很久了。人们争先恐后地到书店
里去购买，第一版几天就卖完了。
千秋是非
《电磁学通论》虽然一抢而空，但是真正读懂的人却寥寥无几。不久，
就听到有人批评它艰深难懂。当然，高度抽象的麦克斯韦微分方程，毕竟不
象2×2＝4那么简单。单是两个公式、几个数学符号，就包罗了电荷、电流、
电磁、光等自然界一切电磁现象的规律，这在一般人看来，确实是不可思议
的。另外，还有一个更主要的原因，就是从麦克斯韦宣布他的理论以后，一
直没有人发现电磁波。而能否证明有电磁波存在，却是检验麦克斯韦理论的
关键。因此许多物理学家都抱着怀疑态度。就连从前热情鼓励麦克斯韦的威
廉·汤姆生，也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠。
麦克斯韦的电磁理论，在物理学上有划时代的意义。遗憾的是，麦克斯
韦本人没有能够证实自己的理论（在一定程度上可以说是“没有去证实”）。
这有客观原因，也有主观原因。由于环境和工作条件的限制，麦克斯韦一直
没有更多的机会从事电磁实验。热力学和分子物理学的研究，耗去了他大部
分时间和精力。再有，他主要是个理论物理学家。就象他的学生弗莱明（1849
①
—1945）后来所说的那样，“他从理论上预言了电磁波的存在，但是好象从
来没有想到过要用什么实验去证明它。”法拉第一辈子都没有离开过实验，
可以说没有实验就没有法拉第。麦克斯韦恰好相反，他只是在伦敦的五年里
进行了一些有限的实验，而且多半是气体动力学方面的。他的寓所，靠近屋
顶的地方有一间狭长的搁楼，那就是他的实验室。他的妻子常常给他当助手，
生火炉，调节室内温度，条件相当简陋。后来在皇家学院实验室里，他作过
一些电学实验，也多只是测定标准电阻这一类工作。《电磁学通论》完成以
后，麦克斯韦忙着筹建卡文迪许实验室，整理卡文迪许 （1731－1810）的遗
著。
由于以上这些原因，电磁理论问世以后，在相当长的时间里没有得到承
认。最初只有剑桥大学的一些青年物理学家支持它。许多人，包括一批有威
望的科学家，对还没有被证明的新理论，都采取观望态度。劳厄（1879－1960）
①在《物理学史》中曾经这样评论说：“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性，
并且和一切经验相符合，但是它只能逐渐地被物理学家们接受。它的思想太
②
不平常了，甚至象赫尔姆霍茨和波尔茨曼（1844－1906）这样有异常才能的
人，为了理解它也花了几年的力气。”
几个春秋过去了。麦克斯韦把他的心血默默地献给了卡文迪许实验室。
这座实验室在1872年破土，到1874年完工。修建经费是一位鼓励科学的公
① 弗莱明，英国电学家，1904 年发明电子二级管。
① 劳厄，德国物理学家，曾经首先证明X 射线的波动性，著有 《物理学史》。
② 波尔茨曼，奥国物理学家，在热力学和统计物理学上都有贡献。
… Page 66…
爵捐赠的。为了增添仪器，麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄。在整个筹建
过程中，从设计、施工、仪器购置，直到大门上的题词，麦克斯韦都亲自过
问。它是实验室的创建人，也是第一任主任。后来相继接替他的是瑞利（1842
①
－1919）和约瑟夫·汤姆逊，汤姆逊以后是卢瑟福（1871－1937），他们都
是世界第一流物理学家。这座实验室开花结果的时期在二十世纪。大批优秀
的科学人才，尤其是原子能物理方面的人才，都是从这里培养出来的。
麦克斯韦最后几年的主要工作，是整理卡文迪许留下的大量资料。这项
由公爵委托给他的任务，工作相当繁重。卡文迪许是十八世纪一位性情怪僻
的英国著名物理学家和化学家。他曾经发现氢气，确定水的化学组成，第一
个计算地球的质量，在静电学上也很有研究。他终身未娶，为人腼腆，喜欢
离群索居，死后留下二十多扎没有发表的科学手稿，大多涉及数学和电学，
其中不少很有价值的东西埋没了几乎半个世纪。整理这些资料是一件非常细
致而困难的工作，麦克斯韦为了完成这项工作，作出了很大的牺牲：他放弃
了自己的研究，耗尽了精力。
除了卡文迪许实验室的日常事务以外，麦克斯韦每学期都要主讲一门
课，内容是电磁学或者热力学。他在讲台上热心地宣传电磁理论，推广新学
说。可惜听众不多。他本来就不善于讲演，更何况电磁理论是那样的高深，
同传统的物理学大相径庭呢！1878年五月，他举行了一次有关电话的科普讲
演。电话当时还是新事物，刚刚破土而出。1875年贝尔发明电话，第二年取
得专利，1877年爱迪生公布阻抗式送话器。这些人类电信史上的新发明，引
起了麦克斯韦莫大的兴趣。可能，他当时已经预感到，他的理论总有一天会
给这些发明插上双翅，传遍全球。
麦克斯韦后期的生活充满了烦恼。他的学说没有人理解，妻子又久病不
愈。这双重的不幸，压得他精疲力尽。妻子生病以后，整个家庭生活的秩序
都乱了。麦克斯韦对妻子一向体贴入微，为了看护妻子，他曾经整整三个星
期没有在床上睡过觉。尽管这样，他的讲演，他的实验室工作，却从来没有
中断过。过分的焦虑和劳累，终于损害了他的健康。同事们注意到这位无私
的科学家在渐渐地消瘦下去，面色也越来越苍白。但是，他还是那样顽强地
工作。
1879年是麦克斯韦生命的最后一年。这一年的春天来得很晚，也格外
冷。他的健康明显恶化，但是他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。这时，他的
讲座只有两个听众。一个是美国来的研究生，另一个就是后来发明电子管的
弗莱明。这是一幕�
