回眸｜麦克斯韦的电磁世界

高考刚刚结束，对于高中物理中的麦克斯韦电磁场理论，想必很多同学还记忆犹新。这个理论是经典物理学的重要支柱之一，为电气时代奠定了基石。今天是麦克斯韦这位物理学家、数学家、经典电动力学的创始人、统计物理学的奠基人之一的193岁诞辰，一起来了解他的生平，感受他对科学世界的深远影响。

麦克斯韦方程组问世

1831年6月13日，麦克斯韦出生于苏格兰的爱丁堡，一个充满学术氛围的家庭。他自幼展现出对数学和物理的浓厚兴趣。在爱丁堡大学和剑桥大学的学习经历，为他日后的科学研究打下了坚实的基础。

麦克斯韦最为人所知的成就是他对电磁理论的贡献， 这就不得不提到另一位科学家——法拉第。在麦克斯韦出生的那一年，法拉第发现了 电磁感应现象 ——闭合电路的一部分导体在磁场中作切割磁感线运动，导体中就会产生电流。但是，法拉第的理论依赖于机械类比和概念模型，而不是公式和方程。 可以说正是因为麦克斯韦将法拉第的机械理论转化成了数学方程，法拉第的工作才在基础物理学中占据了应有的位置。

麦克斯韦的电学研究始于1854年，当时他刚从剑桥毕业不过几星期。他读到了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖的实验和见解吸引了，但他也认识到法拉第理论的严谨性还不够，于是麦克斯韦决定用数学来弥补这一点。

法拉第的实验表明，变化的磁场能够在导线中产生电动势，麦克斯韦进一步发展了这一概念，提出了“位移电流”的概念，将其视为磁场变化产生电场的原因。这一创新性的想法，使得电场和磁场不再是孤立的现象，而是相互联系、相互影响的统一体。

在前人成就的基础上，麦克斯韦对整个电磁现象作了进一步系统、全面的研究，接连发表了电磁场理论的三篇论文：《论法拉第的力线》《论物理的力线》《电磁场的动力学理论》。他将电磁场理论用简洁、对称、完美的数学形式表达了出来，也就是被后人誉为“世界最美公式之一”的麦克斯韦方程组。

其实，在麦克斯韦以前的许多年间，人们就对电和磁这两个领域进行了广泛的研究，知道这两者是密切相关的。适用于特定场合的各种电磁定律已被发现，但是却没有形成完整、统一的学说。而麦克斯韦建立的这组方程组却在任何情况下都可以应用——在此之前的所有电磁定律都可由麦克斯韦方程组推导出来，许多从前没能解决的未知数也能从方程推导过程中得到答案。

成功预言电磁波的存在

麦克斯韦方程组由四个基本方程组成：高斯定律、高斯磁定律、法拉第电磁感应定律和安培环路定律（包含位移电流）。这四个方程简洁而深刻地描述了电荷如何产生电场，电流如何产生磁场，以及变化的电场和磁场如何相互转化。

通过该理论，麦克斯韦成功预言了电磁波的存在。根据他的方程可以证明出电磁场的周期振荡的存在。这种振荡叫电磁波，一旦发出就会通过空间向外传播。根据方程，麦克斯韦就可以表达出电磁波的速度接近3×10⁸m/s，这同所测到的光速是一样的。由此他得出光本身是由电磁波构成的这一正确结论。

他的预言在1888年被德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹通过实验验证。电磁波理论的确立，为无线电、电视、雷达等技术的发明提供了理论支持，极大地推动了人类社会的进步。

此外，麦克斯韦方程组在现代物理学的许多领域都有着广泛的应用。在粒子物理学中，它帮助科学家理解基本粒子的相互作用；在天体物理学中，它解释了恒星和星系的电磁辐射；在材料科学中，它指导着新型电磁材料的设计和开发……

电磁理论影响深远

虽然麦克斯韦成名主要在于他对电磁学和光学做出的巨大贡献，但是他对许多其它学科也做出了重要的贡献，其中包括天文学和热力学。

他的特殊兴趣之一是气体运动学。麦克斯韦认识到并非所有的气体分子都按同一速度运动。有些分子运动慢，有些分子运动快，有些以极高速度运动。麦克斯韦推导出了求已知气体中的分子按某一速度运动的百分比公式，即“麦克斯韦分布式”，是应用最广泛的科学公式之一，在许多物理分支中起着重要的作用。

因为这些重要的成就，1931年，爱因斯坦在麦克斯韦百年诞辰的纪念会上评价其建树“是牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作”。

麦克斯韦的一生是对物理学无限探索和深刻理解的体现。他的电磁理论不仅推动了物理学的发展，更深刻地影响了人类社会的科技进步和日常生活。今天，我们仍然在享受着麦克斯韦留给我们的科学遗产，他的理论和精神将继续激励着未来的科学家们探索未知的领域。

参考资料：

1.《物理》.“麦克斯韦方程和规范理论的观念起源”

2. “中国科学院数学与系统科学研究院”公众号.改变人类文明的最美公式：麦克斯韦方程组

3.“世界图书出版公司北京公司”公众号.人物 | 麦克斯韦：天赋奇才还勤奋努力

4.“首都科学讲堂”公众号.首都科学讲堂回顾丨第840期：电的认知简史

制作：北京市科协融媒体中心

记者：赵玲