在麦克斯韦建立他的电磁理论之前，诺埃曼、韦伯
等德国物理学家，继承了安培的超距作用观 ，对电磁
现象的研究作出过不少贡献，形成了电动力学的所谓
尢陆学派但是，他们企图在力学的框架内理解电磁现
象．提出各种复杂的相互作用“势 来描述电磁过程，理
论繁复而不自然，未能建立起一个统一的理论体系而
麦克斯韦则继承了法拉第的近距作用观念 取得了决
定性的进展
第l9卷第2期
2 0 0 0年2月
大学物理
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Vr71 l9 No 2
Fe})2000
法拉第丰硕的实验成果和他新颖的场的观念为电
磁现象的统一理论准备了条件．完成这一历史任务的
是卓越的英国物理学家麦克斯韦(1831～l879年) 圈1
的邮票是圣马力诺1991年发行的纪念无线电百年系
列邮票中的第一张溯本探源，无线电的发明当然得从
麦克斯韦电磁理论的提出算起囤中的花体字母是c
=
』+D ，它是原来形式的麦克斯韦方程组的第一个方
程图2是发行这张邮票的首日邮戮．
在麦克斯韦建立他的电磁理论之前，诺埃曼、韦伯
等德国物理学家，继承了安培的超距作用观 ，对电磁
现象的研究作出过不少贡献，形成了电动力学的所谓
尢陆学派但是，他们企图在力学的框架内理解电磁现
象．提出各种复杂的相互作用“势 来描述电磁过程，理
论繁复而不自然，未能建立起一个统一的理论体系而
麦克斯韦则继承了法拉第的近距作用观念 取得了决
定性的进展
麦克斯韦走了三大步才建立起电磁理论，前后共
历时十余年他一开始就把注意力集中刊法拉第的力
线上1856年，他发表丁电磁理论方面第一篇论文“论
法拉第的力线”，在开尔文对热传导现象、流体运动和
电磁力线的类比研究的基础上，首次试图将法拉第的
力线概念表述成精确的数学形式他在文中给出了电
场和磁场的已知定律的微分关系式．1862年，他发表第
二篇论文“论物理的力线” 在这篇论文中，他提出一个
分子涡流以太模型，基于这个模型，通过数学计算可以
得出电学和磁学中全部已知的基本定律，除此之外，麦
克斯韦还在这个模型的基础上引入了“位移电流“的概
念：变化电场引起介质电位移的变化，这种变化与传导
电流一样在周围的空间激发磁场位移电流概念完全
是麦克斯韦的独创(而且是在没有任何实验提示的情
况下，只是为了保证理论的自洽性—— 与电荷守恒定
律兼容而大胆引^的)，圆此，麦克斯韦电磁理论决不
仅仅是法拉第的思想的数学精确化．提出位移电流不
但保证了理论的自洽性，而且使理论具有一种对称性：
变化的电场在周围的空间激发涡旋磁场．变化的磁场
在周围的空间激发涡旋电场，这就为脱离场源而交互
变化的电场和磁场— — 电磁场的独立存在提供了依
邮票上的物理学史③
一
麦克斯韦的电磁理论
秦克诚
(北京大学物理系，北京 10987"1)
据电磁场是一种新型的波动，以横被的形式在空间传
播，形成所谓电磁波 1865年，他发表了第三篇论文 电
磁场的动力理沦”．在这篇论文中，他不再用他过去提
出的以太模型，而是通过数学解析方法，总结了今天以
他的名字命名的电磁场基本方程图图3是尼加拉瓜
(1971年)的“改变世界而貌的10个公式 邮票中关于
麦克斯韦方程组的 张由这个方程组他推出电磁场
所满足的泼动方程、预言了电磁波的存在由于算出的
电磁波在真空中的传播速度与真空的光速相同，麦克
斯韦断言光就是频率在某一范围内的电磁波，建直了
光的电磁理论．麦克斯韦先用以太模型导出新的电磁
场方程组，然后卫敢于舍弃原来的力学比拟，让电磁场
理论从机械论框架中解放出来．成为独立的物理对象，
这是麦克斯韦的伟大之处有人曾这样比喻：对麦克斯
韦来说．机械模型就好像建筑高楼走厦时的脚手架，楼
房建好之后，脚手架就r点一点被拆掉了
回顾电与磷的联系的发现经过是很有意思的：最
开始是奥斯特发现持续电流的礁效应，得到了磁场的
两个源中的一个(麦克斯韦方程组的第四方程的一
半)人们蹦为有逆效应存在．多方寻觅，在实验上发现
的却是瞬态的磁场变化能够产生电场(方程组中的第
三方程)然后出于自治和对称的考虑．从理论上提出
位移电流，得到第四方程的完整形式再以后，在相对
论中，通过洛伦兹变换可以从电场得出磁场，两种“不
同”的自然力就完全统一了
1865年后，他辞职退隐庄园养病此后他把主要精
力放在整理、总结电磁场理论上1873年，他出版了经
典名著《电磁理论》1879年，他在长期患病后与世长
辞，终年才48岁如果他能多活9年，就能亲眼看到自
己的理论被赫兹的电磁波实验证实了图4是墨西哥
1967年为纪念在墨西哥城举行的国际电信会议发行的
邮票，上面有麦克斯韦和赫兹的肖像．无线电波在通讯
上的各种应用，当然是和麦克斯韦和赫兹的名字分不
开的
法拉第和麦克斯韦的电磁学强调了电磁场的实在
性，电磁场是物理场的第一个实例从麦克斯韦理论可
得，电磁场和实物一样，具有能量和动龟，电磁渡的动
载 一
连 ～
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上学一
票理一
邮物一
量会在它照射的表面上产生一十辐射压强既然光也
是电磁波，那么光也会对赦它照射的物体施加压力(光
的粒子说也提出了光压的概念，开普勒就曾用它解释
太阳光对彗尾的推斥)俄国物理学家列别捷夫(囤5，
苏联1951年)于19113年实验测出光压．在实验误差范
围内与麦克斯韦预言之值相等，从而为光的电磁理论
提供了实验证据
除了电磁理论以外，麦克斯韦还在别的许多方面
做出重要的贡献．他提出土星的光环是由许多小颗粒
组成的，而不是固体或流体结构后者会在引力和离心
力的作用下瓦解，只有前者才能保持稳定在热力学
中，他系统表述了各个热力学变量的偏导数之间的一
些关系式，现称为麦克斯韦关系式他提出了“麦克斯
韦妖”的著名佯谬，深化了对热力学第二定律的理解
他与克劳修斯和玻尔兹曼同为气体分子动理论的创始
人，提出了以他的名字命名的气体分子的速度分布定
律，并根据这一定律推算出气体分子的平均自由程．他
首先建议，应当采用一种由少数基本单位有系统地建
立起来的协调一致的(eoherent)单位制．即从基本单位
推出导出单位时，其比例常数为1，以减少计算的繁复
和消除产生错误的源泉．后来采用cGS单位制就是采
纳他的意见和结果他在剑桥创办了著名的卡文迪什
实验室，并担任首任主任．他还编辑出l}匪了卡文迫什的
手稿
麦克斯韦的电磁理论实现了电、磁和光现象的统
一
，
这是自从牛顿实现天上和地上的运动的统一以后
’●
图1
图3
物理学中第二次大统一麦克斯韦的电磁学是^粪知
识宝库中一份博大精深的科学遗产，其历史地位完全
可以和牛顿的力学媲美．麦克斯韦可说是除牛顿和爱
固斯坦 外第三位最伟大的物理学家不过，有关麦克
斯韦的邮票却不多，迄今笔者只见到上面三张邮票不
是选票．其数量并不与学术地位和历史业绩成正比．美
国物理学家费曼对麦克斯韦的工作是这样评论的：“从
人类历史的长久观点来看— — 例如从自今以后一万年
的观点来看，几乎无疑的是．麦克斯韦发现电动力学定
律将被判定为l9世纪中最重要的事件与这一重要科
学事件相比．发生于同一十10年中的美国内战(按：指
南北战争，发生于1861～1865年)将褪色而成为只有地
区性意义的了”是的，认识和理解大自然是最宏伟、晟
壮丽、最有持久价值的事业．和这一事业相比．历史上
的帝国兴亡，生恬中的名利追逐，只不过是“相争两蜗
角，所得一牛毛”
在这一伟业中．物理学是走在最前面、冲锋陷阵的
前锋部队能够成为这支部队的一员，是每一十物理学
工作者都感到自豪的事宇宙的年龄是一百多亿年．人
类出现在地球上大约有一百万年，一十^ 的生命不过
百年，人生的意义究竟是什幺?笔者认为．人类就是大
自然母亲磨制用来照自己的镜子，进化过程就是她磨
镜的过程．镜子越来越完善，越来越清晰．它的任务便
是要尽量清晰地把大自然照出来进化使我们具有思
维和理解能力，而发现和认识自然规律，直接间接为过
一
事业服务．便是人生的使命和价值．
圈2
图4
图5
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