大学物理学科学家介绍麦克斯韦

科学家介绍麦克斯韦（JamesClerkMaxwell.1831-1879年）在法拉第发现电磁感应现象的1831年，麦克斯韦在英国的爱丁堡出生了。他从小聪明好问。父亲是个机械设计师，很赏识自己儿子的才华，常带他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座。10岁时送他到爱丁堡中学。在中学阶段，他就显示出了在数学和物理方面的才能，十五岁那年就写了一篇关于卵形线作图法的论文，被刊登在《爱丁堡皇家学会学报》上。1847年，16岁的麦克斯韦考入爱丁堡大学。1850年又转入剑桥大学。他学习勤奋，成绩优异，经著名数学家霍普金斯和斯托克斯的指点，很快就掌握了当时先进的数学理论。这为他以后的发展打下了良好的基础。1854年在剑桥大学毕业后，曾先后任亚伯丁马里夏尔学院、伦敦皇家学院和剑桥大学物理学教授。他的口才不行，讲课效果较差。麦克斯韦在电磁学方面的贡献是总结了库仑、高斯、安培、法拉第、诺埃曼、汤姆孙等人的研究成果，特别是把法拉第的力线和场的概念用数学方法加以描述、论证、推广和提升，创立了一套完整的电磁场理论。他自己在1873年谈论它他的巨著《电学和磁学通论》时曾说过：“主要是怀着给（法拉第的）这些概念提供数学方法基础的愿望，我开始写作这部论著。”1855~1856年，他发表了第一篇关于电磁理论的论文：《论法拉第的力线》。在这篇文章中，他把法拉第的力线和不可压缩流体中的流线进行类比，用数学形式--矢量场--来描述电磁场，并总结了6个数学公式（有代数式、微分式和积分式）来表示电流、电场、磁场、磁通量以及矢势之间的关系。这是他把法拉第的直观图像数学化的一次尝试，此后麦克斯韦电磁场理论就是在这个基础上发展起来的。1860年麦克斯韦转到伦敦皇家学院任教。一到伦敦，他就带着这篇论文拜访年近古稀的法拉第。法拉第4年前看到过这篇论文，会见时对麦克斯韦大加赞赏的说：“我不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。”“这是一篇出色的文章，但你不应该停留在用数学来解释我的观点，而应该突破它。”麦克斯韦大受鼓舞，而且后来也确实没有辜负老人的期望。1861年麦克斯韦对法拉第地磁感应现象进行深入分析时，认为即使没有导体回路，变化的磁场也应在其周围产生电场。他把这种电场称为感应电场。有导体回路时，这电场就在回路中产生感应电动势从而激起感应电流。这一假设是对法拉第实验结论的第一个突破，它揭示了变化的磁场和电场相联系。同年12月，在给汤姆孙的信中，麦克斯韦提出了位移电流的概念，认为对变化的电磁现象来说，安培定律的电流项中必须加入电场变化率一项才能与电荷守恒无矛盾，这一说法又是一个一流的独创，它揭示了变化的电场和磁场相联系。1862年麦克斯韦发表了《论物理的力线》一文。这篇论文除了更仔细地阐述位移电流概念（先是从电介质中的，再是真空即以太中的）外，主要是提供一种以太管模型来构造法拉第的力线并用以解释排斥、吸引、电流产生磁场、电磁感应等现象。这个模型现在看来比较勉强，麦克斯韦本人此后也再没有使用这样的模型。1864年，麦克斯韦发表了《电磁场的动力论》。在这篇论文中,他明确地把自己的理论叫做“场的动力理论”，而且定义“电磁场是包含和围绕着处于电或磁的状态之下的一些物体的那一部分空间，它可以充满着某种物质，也可以被抽成真空”。在这一篇论文中他提出一套完整的方程组（共有20个方程式），并由此方程组推导出了电场和磁场相互垂直而且和传播方向相互垂直的电磁波。他给出了电磁波的能量密度以及能流密度公式。更奇妙的是，从这一方程组中，他得出了电磁波的传播速度是/1，在真空中是00/1，而其值等于scm/10310，正好等于由实验测得的光速（这一巧合，在1863年他和詹金研究电磁学单位制时也得到过）。这一结果促使麦克斯韦提出“光是一种按照电磁规律在场内传播的电磁扰动”的结论。这一点在1868年他发表的《关于光的电磁理论》中更明确地肯定下来了。20年后赫兹用实验证实了这个论断。就这样，原理被认为是互相独立的光现象和电磁现象相互联系起来了。这是在牛顿之后人类对自然的认识上又一次大综合。1873年，麦克斯韦出版了他的关于电磁学研究的总结性论著《电学和磁学通论》。在这本书中他汇集了前人的发现和自己的独创，对电磁场的规律作了全面系统而严谨的论述，写下了11个方程（以矢量形式表示）。他还证明了“唯一性定理”，从而说明了这一方程组是完整而充分地反映了电磁场运动的规律（现代教科书中用4个公式表示的完整方程组是1890年赫兹写的）。就这样，麦克斯韦从法拉第的力线概念出发，经过坚持不懈的研究得到了一套完美数学理论。这一理论概况了当时已发现的所有电磁现象和光现象的规律，它是在牛顿建立力学理论之后的又一光辉成就。《电学和磁学通论》出版后，麦克斯韦即转入筹建卡文迪什实验室的工作并担任了它的第一任主任（该实验室后来出了汤姆孙、卢瑟福等一流的物理学家）。整个卡文迪什遗作的繁重工作耗费了他很大的精力。1879年，年仅48岁的麦克斯韦由于肺结核不治而过早地离开了人间。麦克斯韦除了在电磁学方面的贡献外，还是分子运动论的奠基人之一。他第一次用概率的数学概念导出了气体分子的速率分布律，还用分子的刚性球模型研究了气体分子的碰撞和运输过程。他的关于内摩擦的理论结论和他自己的实验结果相符，有力地只吃了气体动理论。