麦克斯韦(5)〈电磁学的集大成者〉江铭辉  五梦网

二十一、电磁学与麦克斯韦方程式

麦克斯韦在1855年时即已研究电学和磁学。该年，他向剑桥哲学学会提交了《论法拉第力线》。在这篇论文中，他提出了法拉第在电学与磁学方面实验研究成果的数学模型，并阐述了电与磁两种现象之间的关系。

1862年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》上，发表了第二篇电磁学论文《论物理的力线》。这篇划时代的论文中，引进了一个崭新的概念，叫做"位移电流"。引进位移电流的概念，是电磁学上继电磁感应提出后的一项重大突破。此外他利用已有的实验数据通过计算发现，电场传播的速度与当时测得光速非常接近。他认为这不只是一个巧合。在1862年发表《论物理力线》的第三部分中，他写到：「光与电磁现象的横波具有一致性。」

后来麦克斯韦发现到交变的电磁场会以波的形式在空间传播。1865年他发表了第三篇论文《电磁场动力学》，采用一种新的数学方法使麦克斯韦方程式的形式更完备，并推导出电场和磁场的波动方程，从理论上证明了电磁波的传播速度正好等于光速。

于是，麦克斯韦大胆地宣布:世界上存在一种尚未被人发现的电磁波它看不见，摸不着，但充满整个空间。而光是一种人能看见的电磁波。麦克斯韦的预言，震动了物理界，使人耳目一新，有些人热情推崇，有些人大表怀疑。

二十二、麦克斯韦方成式解释及电磁波

从麦克斯韦于1855年发表「法拉第的力学」，1860年秋天发表了「物理的力线」，和「电磁场之动力学后」。可推演出了四个基本观念：

  1.所谓磁力线，是周而复始的，换而言之，磁力线是环状的没有开头和终点。

  2. 所谓电力线，也是周而复始的，也是环状，并且回归原位。

  3. 从变化的磁场，可以产生电场。

  4. 从变化的电场，可以产生磁场。

 法拉第的理论上，已经确定:一个变化的磁场，将在导体中产生电流。麦克斯韦又把法拉第的理论加以推演。表明一个变化的磁场，可以在空间产生电力作用，而电场的变化，则产生磁力作用。

 1864年，麦克斯韦发表了影响后世深远的「麦克斯韦方程式」，在他的方程式中已指出电磁波是以光的速度(每秒中30万公里)在进行。可惜他的方程式过于复杂，不容易被学界接受。麦克斯韦去世十年后，法国的物理学家赫芝(hertz)，将他的方程式整理成简明的四个方程式，并在1888年，完成了第一架无线电发报机，从而证明了马克土威的电磁理论完全是正确的。

今日我们已知道，电磁波与我们日常生活息息相关，X射线、加玛射线、光波(包括红外线、紫外线)及无线电波、微波……等等都属于电磁波，电磁波有一个特性，那就是其行进是由电波和磁波交替变化前进(图4)，且前进速度每秒可绕地球7周半，约30万公里，是目前世界上跑最快的东西。

图4：电磁波行进是由电波和磁波交替变化前进。

二十三、曲高和寡

麦克斯韦健康状况逐渐恶化，于1865年辞去了伦敦的教职回到苏格兰老家格伦莱尔(Glenlair )庄园 。凯瑟琳希望自己的丈夫在乡下打打猎、钓钓鱼，过一种悠闲的乡绅生活，可是麦克斯韦却仍孜孜不倦地研究、写作，8年以后，终于出版了《电磁学通论》                                                       

《电磁学通论》是一部电磁学的经典著作。麦克斯韦总结了库仑、安培、奥斯特、法拉第和他本人的研究成果，建立了严谨的电动力学体系。他的朋友和学生争先恐后地到书店去购买，第一版几天之内就卖光了。但是曲高和寡，真正读懂它的人却寥寥无几。