麥克斯韋(5)〈電磁學的集大成者〉江銘輝  五夢網

二十一、電磁學與麥克斯韋方程式

麥克斯韋在1855年時即已研究電學和磁學。該年，他向劍橋哲學學會提交了《論法拉第力線》。在這篇論文中，他提出了法拉第在電學與磁學方面實驗研究成果的數學模型，並闡述了電與磁兩種現象之間的關係。

1862年，麥克斯韋在英國《哲學雜誌》上，發表了第二篇電磁學論文《論物理的力線》。這篇劃時代的論文中，引進了一個嶄新的概念，叫做"位移電流"。引進位移電流的概念，是電磁學上繼電磁感應提出後的一項重大突破。此外他利用已有的實驗資料通過計算發現，電場傳播的速度與當時測得光速非常接近。他認為這不只是一個巧合。在1862年發表《論物理力線》的第三部分中，他寫到：「光與電磁現象的橫波具有一致性。」

後來麥克斯韋發現到交變的電磁場會以波的形式在空間傳播。1865年他發表了第三篇論文《電磁場動力學》，採用一種新的數學方法使麥克斯韋方程式的形式更完備，並推導出電場和磁場的波動方程，從理論上證明瞭電磁波的傳播速度正好等於光速。

於是，麥克斯韋大膽地宣佈:世界上存在一種尚未被人發現的電磁波它看不見，摸不著，但充滿整個空間。而光是一種人能看見的電磁波。麥克斯韋的預言，震動了物理界，使人耳目一新，有些人熱情推崇，有些人大表懷疑。

二十二、麥克斯韋方成式解釋及電磁波

從麥克斯韋於1855年發表「法拉第的力學」，1860年秋天發表了「物理的力線」，和「電磁場之動力學後」。可推演出了四個基本觀念：

  1.所謂磁力線，是周而復始的，換而言之，磁力線是環狀的沒有開頭和終點。

  2. 所謂電力線，也是周而復始的，也是環狀，並且回歸原位。

  3. 從變化的磁場，可以產生電場。

  4. 從變化的電場，可以產生磁場。

 法拉第的理論上，已經確定:一個變化的磁場，將在導體中產生電流。麥克斯韋又把法拉第的理論加以推演。表明一個變化的磁場，可以在空間產生電力作用，而電場的變化，則產生磁力作用。

 1864年，麥克斯韋發表了影響後世深遠的「麥克斯韋方程式」，在他的方程式中已指出電磁波是以光的速度(每秒中30萬公里)在進行。可惜他的方程式過於複雜，不容易被學界接受。麥克斯韋去世十年後，法國的物理學家赫芝(hertz)，將他的方程式整理成簡明的四個方程式，並在1888年，完成了第一架無線電發報機，從而證明瞭馬克土威的電磁理論完全是正確的。

今日我們已知道，電磁波與我們日常生活息息相關，X射線、加瑪射線、光波(包括紅外線、紫外線)及無線電波、微波……等等都屬於電磁波，電磁波有一個特性，那就是其行進是由電波和磁波交替變化前進(圖4)，且前進速度每秒可繞地球7周半，約30萬公里，是目前世界上跑最快的東西。

圖4：電磁波行進是由電波和磁波交替變化前進。

二十三、曲高和寡

麥克斯韋健康狀況逐漸惡化，於1865年辭去了倫敦的教職回到蘇格蘭老家葛籣賴爾(Glenlair )莊園 。凱薩琳希望自己的丈夫在鄉下打打獵、釣釣魚，過一種悠閒的鄉紳生活，可是麥克斯韋卻仍孜孜不倦地研究、寫作，8年以後，終於出版了《電磁學通論》                                                       

《電磁學通論》是一部電磁學的經典著作。麥克斯韋總結了庫侖、安培、奧斯特、法拉第和他本人的研究成果，建立了嚴謹的電動力學體系。他的朋友和學生爭先恐後地到書店去購買，第一版幾天之內就賣光了。但是曲高和寡，真正讀懂它的人卻寥寥無幾。