麦克斯韦简介。
麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理、统计物理、光学、力学和弹性理论。特别是他的统一了电、磁、光的电磁场理论，是19世纪物理学发展的最辉煌的成果，是科学史上最伟大的综合体之一。他预言了电磁波的存在。这个理论已经被实验充分验证了。他树立了一座物理学纪念碑。造福人类的无线电技术是在电磁场理论的基础上发展起来的。
麦克斯韦在1855左右开始研究电磁学。在研究了法拉第关于电磁学的新理论和思想后，他坚信法拉第的新理论包含真理。于是他抱着为法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心用清晰准确的数学形式表达法拉第的天才思想。他在前人成果的基础上，对电磁现象进行了系统全面的研究，并以其深厚的数学造诣和丰富的想象力，先后发表了三篇电磁场理论论文:《论法拉第的磁力线》(从1855到1856)；物理学中的力线上(1861到1862)；电磁场动力学理论(1864 65438+2月8日)。全面总结前人和自己的工作，将电磁场理论以简洁、对称、完美的数学形式表达出来，经过后人的整理和改写，成为作为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。在此基础上，1865年，他预言了电磁波的存在，它只能是横波，并计算出电磁波的传播速度等于光速。同时，他得出光是电磁波的一种形式的结论，揭示了光现象和电磁现象的关系。1888德国物理学家赫兹通过实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦在1873年发表了科学巨著《电磁理论》。对电磁场理论进行了系统、全面、完善的阐述。这个理论已经成为经典物理学的重要支柱之一。麦克斯韦对热力学和统计物理学也做出了重要贡献。他是气体动力学理论的创始人之一。1859年，他首次利用统计定律得到麦克斯韦速度分布定律，从而找到了从微观两个计算统计平均值的更精确的方法。在1866中，他给出了一种新的按速度推导分子分布函数的方法，这种方法是建立在正反向碰撞分析的基础上的。他引入了弛豫时间的概念，发展了一般的输运理论，并将其应用于气体的扩散、热传导和内耗。“统计力学”这个术语是在1867中引入的。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题，准确表达科学思想的大师。他非常重视实验。由他建立的卡文迪许实验室，在他和其后几位主任的领导下，已经发展成为世界著名的学术中心之一。他善于从实验出发，经过敏锐的观察和思考，运用娴熟的数学技巧，从细致的分析和推理出发，大胆地提出有实验依据的假设，建立新的理论，然后使理论及其预测结论得到实验的检验，逐步完善并形成系统完整的理论。尤其是汤慕孙W对类比的有效运用，启发了麦克斯韦，使他成为建立各种模型，以类比的方式研究不同物理现象的专家。在他关于电磁场理论的三篇论文中，多次使用类比研究方法，寻找不同现象之间的联系，从而逐渐揭示科学真理。
麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。
麦克斯韦
父亲的影响
在科学史上，一些重要的理论往往依赖于许多人的不懈努力。19世纪创立了导致物理学革命的电磁理论，是这样的。从奥斯特和安培发现电流的磁效应，到法拉第奠定基石，完成理论，已经过去了半个多世纪。最终完成这一理论的人是英国杰出的数学家和物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。
《论法拉第磁力线》这篇论文，基本上是法拉第磁力线概念的数学化。
“翻译”是非常重要的一步。因为麦克斯韦从一开始就使用数学方法，并选取了法拉第理论的精髓——力线思想作为自己研究的出发点。这说明麦克斯韦的科学洞察力确实非同一般。他确定了主攻方向，他坚定不移地继续研究。他后来的一系列论文，一步一步地遵循了这条正确的道路。这就是他比汤姆森强的地方。汤姆森已经走到了真理的边缘，但是他犹豫了；马克斯韦尔抓住了真理，坚持了下来。所以麦克斯韦虽然起步晚，却是第一个到达荣耀巅峰的。
通往科学的道路总是不平坦的。就在麦克斯韦的研究大有可为的时候，一个不幸的事件打断了他的计划。一天，他正在埋头研究最近的一些电工材料，这时邮递员从家里来了一封信。当他收到信时，他惊讶地发现这不是他父亲的笔迹。他担心了很久的事情终于发生了。父亲年老体弱，身体每况愈下，突然卧病在床。那封信是我父亲代别人写的。马克斯韦尔看完信后非常焦虑和难过。他对父亲的感情很深。从小父亲就是他的导师，是整个家庭的顶梁柱。十多年来，他们朝夕相处，和睦相处。麦克斯韦离家求学后，他们几乎天天通信，交流各种科学思想和对社会的看法，谈论有趣的日常生活。
为了照顾父亲，麦克斯韦不得不离开剑桥大学，到离家近的阿伯丁工作。英格兰北部海港城市阿伯丁的一所学院答应让麦克斯韦做自然哲学讲师，但这需要一些时间。麦克斯韦整夜守在父亲的床前，尽力减轻老人的病情。但无论他如何小心翼翼的服侍，还是没能阻止死亡的到来。当1856的春天来临的时候，父亲终于离开了这个世界。这无疑是麦克斯韦一生中不可挽回的损失。他的悲伤久久没有平息。
不久，阿伯丁的玛丽斯凯尔学院正式聘请他为自然哲学教授。上任前，麦克斯韦回剑桥大学处理一些事务，待了几个月。他心情非常矛盾。他怀念母校，父亲已经去世，他留在香港仔意义不大。更重要的是，他的电磁研究才刚刚开始，不知道阿伯丁有没有合适的研究条件。但马雷斯卡学院已经给他开出了聘书，据说院长很欣赏他，他推脱不了，只好走马上任。这一次，他的电磁研究推迟了四年。
法拉第的灵感
1860初夏，马利学院物理学讲座因故暂停。麦克斯韦28岁离开阿伯丁，去伦敦皇家学院教书。他的妻子也和他一起去了。这次工作调动是麦克斯韦职业生涯的转折点。
在这之前，有一个小插曲。麦克斯韦原来的母校爱丁堡大学也将聘请自然哲学教授。他本来要去那里。应该入选的有三个人，另外两个是他在剑桥大学的同学，还有一个是中学同学。这三个人中哪一个应该被带走，当局决定通过审查来决定。说到学习，麦克斯韦肯定是第一，但比起口才，他就吃亏了。考试的结果是，麦克斯韦名列最后，连考官都怀疑他的演讲能力。当时爱丁堡一家杂志评论此事，为他感到惋惜。俗话说:
"塞翁失马，焉知非福。"可惜麦克斯韦没有被爱丁堡大学选中，但也正因为如此，他转到了皇家学院，做出了他一生中最重要的贡献。
麦克斯韦在阿伯丁的四年里，一直有一个心，就是想用数学工具表达法拉第的理论。他的这个愿望在1855只开始了一次就被搁置了。即使在研究土星的苦战中，只要看到关于电磁学的文章，也会引起他的密切关注。他经常给法拉第写信，探索电磁学的奥秘。他的书桌上已经摆满了《电学实验研究》。每次他打开这个辉煌的杰作，他都非常兴奋。法拉第，这个他当时从未见过的伟人，为物理学描绘了一幅生动的画卷！电、磁、光、力线、波动...背后隐藏着什么规律？
麦克斯韦尔到达伦敦后专门拜访了法拉第。这是一次难忘的会面。年轻的物理学家递上名片，很快法拉第面带微笑走了出来。实验大师年近七旬，两鬓斑白。他和麦克斯韦尔一见如故，开始了亲切的交谈。
这两位伟人不仅年龄相差40岁，性格、爱好、特长也大相径庭，但他们对物质世界的看法却产生了* * *声。这是一个奇妙的组合:法拉第开朗善良，麦克斯韦严肃机智。老师是温暖的火，学生是锋利的剑。麦克斯韦不擅长辞藻，法拉第却说得很漂亮。一个不精通数学，另一个却驾轻就熟。两人的科学方法正好相反:法拉第主要是实验探索，麦克斯韦擅长理论概括。可以说，它们在很多方面是相辅相成的；爱因斯坦曾称他们为情侣，说他们就像伽利略和牛顿，相得益彰。麦克斯韦本人就谈到了这一点:“由于人的心灵有不同的类型，科学真理应该以不同的形式表现出来，无论是以带有鲜明物理色彩的定性形式出现，还是以简单朴实的符号出现，都应该被视为同一门科学。”这自然没错，字里行间都是对法拉第的尊重。但是，探索科学的深度往往随着科学方法的不同而不同。法拉第把道理用直观生动的方式表达出来，麦克斯韦最后用惊人的数学总结出来，提到了理论的高度，所以他的理解更深刻，更深入到事物的本质，所以更具有普适性。
四年前，法拉第曾称赞论文《论法拉第的力线》。他没想到论文作者这么年轻。当麦克斯韦询问他对论文的看法时，法拉第说:“我不认为我的理论一定是真的，但你是真正理解它的人。”
"先生，你能给我指出这篇论文的缺点吗？"麦克斯韦谦虚地说。
"这是一篇优秀的论文。"法拉第若有所思地说:“但你不应该停留在用数学解释我的观点，你应该突破它！”
法拉第的话像一盏明灯，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。他立即以最大的热情投入到新的战斗中。
他设计了一个理论模型，进一步探索法拉第的磁力线概念。这个模型完全基于机械结构的类比。有人称之为“以太模型”，但现在看起来很枯燥，很难理解。一位英国现代科学历史学家花了整整一页也没说清楚。事实上，麦克斯韦在他的后期作品中也抛弃了这一模式。奇怪的是，麦克斯韦以此为跳板，成功到达了真理的彼岸。
大楼终于完工了。
在讨论以太模型时，麦克斯韦非常注意他发现的一个重要事实。他在分析了法拉第对电介质的研究后，证实了在电场变化的电介质中也存在电流，他称之为“位移电流”。此外，他还计算了这种水流的速度。麦克斯韦惊奇地发现，位移电流的速度正好等于光速！
这是巧合吗？世界上没有这样的巧合。他太激动了，好几天没睡好觉。他老婆给他仔细核对了好几遍，数据确实没错。这意味着他计算出电磁波的传播速度等于光速，这是一个非常了不起的发现，尽管他当时并没有完全意识到这一点。几天后，他写信给法拉第报告了结果。他在信中说，他计算的电磁波传播速度是“每秒310740公里”，而在自由灵魂(186，5438+09 ~ 1896)中直接实验测得的光速是每秒14858公里。信的邮寄时间是1861 1 10月19。法拉第是否给他回信，史料中没有记载。但毫无疑问，正是这一发现促使麦克斯韦在4年后得出光是电磁波的结论。
1862年，麦克斯韦在《英国哲学杂志》第4卷第23期发表了第二篇电磁论文《论物理学的力线》。文章一发表，立即引起广泛关注。英国著名物理学家、电子学的发现者约瑟夫·汤姆逊后来回忆说:“我至今还清楚地记得那篇论文。那时候我还是一个18岁的孩子。我一读，就很激动！那是一篇很长的文章，我把它全抄了。”
这确实是一篇划时代的论文，与1855中法拉第力线上的相比，是一个质的飞跃。该论文不再是法拉第观点的简单数学翻译，而是一个重要的延伸和发展。其中一个决定性的步骤就是引入了“位移电流”的概念在此之前，包括法拉第在内的人们在讨论电流产生的磁场时，总是提到传导电流，即自由电子在导体中运动形成的电流。麦克斯韦觉得在他的研究中这个旧的概念有很大的矛盾。例如，在连接交流电源的电容器中，电介质中没有自由电荷，即没有传导电流，但磁场仍然存在。经过反复思考和分析，麦克斯韦毅然指出，这里的磁场是由另一类电流形成的，这种电流存在于任何电场变化的电介质中，与传导电流一起形成闭合的总电流。麦克斯韦通过严格的数学推导得出了代表这种电流的方程，并称之为位移电流。
理论上引入了位移电流的概念，这确实是继法拉第电磁感应之后，电磁学上的一个重大突破。根据这一科学假设，麦克斯韦导出了两个高度抽象的微分方程(直到1865，方程才得以完善)，这就是著名的麦克斯韦方程组。这组方程从两个方面发展了法拉第的成果。一个是位移电流，说明不仅变化的磁场产生电场，变化的电场也产生磁场；第二，该方程不仅完美地解释了电磁感应现象，而且从理论上对其进行了总结。也就是磁场变化的地方，无论是导体还是电介质，周围都有感应电场。经过麦克斯韦创造性的总结，电磁现象的规律最终以他不可动摇的数学形式被揭示出来。直到那时，电磁学才开始成为一门科学理论。
在自然科学史上，只有当某一门科学达到顶峰时，它才能被数学表达为定律。这些定律不仅可以解释已知的物理现象，还可以揭示一些尚未被发现的东西。就像牛顿万有引力定律预见了海王星一样，麦克斯韦在《物理学的力线上》中预见了电磁波的存在。他指出，既然交变电场会产生交变磁场，交变磁场又会产生交变电场，那么这个交变电磁场就会以波的形式传播到空间。当时麦克斯韦只有31岁，这是他一生中最辉煌的一年。
麦克斯韦继续深入电磁学领域。1865年发表第三篇电磁学论文《电磁场动力学》。这篇论文发表在伦敦皇家学会杂志上。在这份重要文件中，麦克斯韦方程的形式更加完善。他采用了法国数学家和力学家拉格朗日(1736 ~ 1813)和爱尔兰数学家和物理学家汉密尔顿(1805 ~ 1865)创立的数学方法，从那些方程直接推导出了电场和磁场的波动方程。电磁波的传播速度是基于波动方程。这与麦克斯韦四年前计算的比率完全相同。直到这个时候，电磁波的存在才是确定的！于是他大胆地得出结论，光也是电磁波。法拉第关于光的电磁理论的朦胧猜想，从麦克斯韦变成了科学理论。法拉第和麦克斯韦的名字，从此联系在一起，就像伽利略和牛顿的名字一样，在物理学界永远闪耀。
麦克斯韦在伦敦皇家学院教了五年书。这五年是他一生中多产的时期。除了建立电磁理论，他还对分子物理学和气体动力学做出了贡献。
1865年，在麦克斯韦正式宣布光的电磁学后不久，他辞去了皇家科学院的主席一职，回到家乡格伦莱庄园系统总结研究成果，撰写了电磁学专著。经过几年的努力，他的《电磁学通论》于1873年出版。这是一部经典的电磁理论著作。麦克斯韦在19世纪中叶前后系统总结了库仑、安培、奥斯特、法拉第和他本人对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论。这部巨著的意义可以和牛顿的《数学原理》(力学)和达尔文的《物种起源》完全一样。
与生物学相比，它也是人类智慧的结晶。
电磁理论的宏伟大厦，经过几代人的努力，巍然屹立！《电磁学通论》的出版成为当时物理学界的一件大事。麦克斯韦回到剑桥大学任教，他的朋友和学生们期待这本书已经很久了。人们争相到书店购买，第一版没几天就卖完了。
最终评估
《电磁学通论》虽然被抢走了，但真正看懂的人很少。很快，就听到有人批评它难懂。当然，高度抽象的麦克斯韦微分方程毕竟不是2×2=4那么简单。仅仅两个公式和几个数学符号，就包含了电荷、电流、电磁、光等自然界电磁现象的全部规律，这在普通人看来真的是不可思议。除此之外，还有一个更重要的原因，那就是自从麦克斯韦公布了他的理论之后，就再也没有人发现电磁波了。电磁波能否被证明是检验麦克斯韦理论的关键。所以很多物理学家都持怀疑态度。就连之前热情鼓励麦克斯韦的威廉·汤姆逊也不确定麦克斯韦的预测是否可靠。
麦克斯韦的电磁理论在物理学上具有划时代的意义。可惜麦克斯韦本人没能证明自己的理论(某种程度上可以说是没有证明)。这既有客观原因，也有主观原因。由于环境和工作条件的限制，麦克斯韦从未有过更多的机会从事电磁实验。热力学和分子物理学的研究消耗了他大部分的时间和精力。此外，他主要是一个理论物理学家。正如他的学生弗莱明(1849 ~ 1945)后来所说，“他在理论上预言了电磁波的存在，但似乎从未想过用任何实验来证明。”法拉第一生都没有离开过实验，所以可以说没有实验就没有法拉第。相反，麦克斯韦在伦敦的五年时间里只进行了一些有限的实验，大部分是气体动力学方面的。他公寓楼顶附近有一个狭长的阁楼，是他的实验室。他的妻子经常给他当助手，点炉子，调节室内温度。条件相当简单。后来在皇家学院的实验室里，他做了一些电学实验，大多只是测量标准电阻。《电磁学通论》完成后，麦克斯韦忙于建设卡文迪许实验室，整理卡文迪许(1731 ~ 1810)的著作。
由于这些原因，电磁理论问世后很长一段时间都没有得到认可。起初，只有剑桥大学的一些年轻物理学家支持它。许多人，包括一批有声望的科学家，对尚未被证实的新理论持观望态度。劳厄(1879 ~ 1960)曾在《物理学史》中评论说:“虽然麦克斯韦的理论在本质上是完美的，与所有的经验是一致的，但它只能被物理学家逐渐接受。它的思维是如此不同寻常，以至于即使是像亥姆霍兹和玻尔兹曼(1844 ~ 1906)这样具有非凡才能的人也花了数年时间试图理解它。”
几个春秋过去了。麦克斯韦把自己的心血默默奉献给了卡文迪许实验室。实验室于1872破土动工，于1874竣工。建设资金是由一位鼓励科学的公爵捐赠的。为了添置仪器，麦克斯韦也拿出了自己的一点积蓄。在整个筹备过程中，从设计、施工、仪器购置到大门上的题字，马克斯韦尔都亲自过问。它是实验室的创始人和首任主任。后来他的继任者是瑞利(1842 ~ 1919)和约瑟夫·汤姆逊，接着是卢瑟福(1871 ~ 1937)，两人都是世界级的物理学家。这个实验室开花结果的时期是在20世纪。从这里培养了一大批杰出的科学人才，特别是原子能物理方面的人才。
麦克斯韦最后几年的主要工作是整理卡文迪许留下的大量资料。公爵委托给他的任务相当艰巨。卡文迪许是18世纪英国著名的气质古怪的物理学家和化学家。他曾经发现水的化学成分氢是第一个计算地球质量的物质，他在静电学方面也有很好的研究。他一直没有结婚，很害羞，喜欢一个人生活。他去世后留下了20份未公开的多扎科学手稿，大多涉及数学和电学，其中许多手稿被埋没了近半个世纪。整理这些资料是一件非常细致和困难的工作。麦克斯韦为了完成这项工作做出了巨大的牺牲:他放弃了研究，耗尽了精力。
除了卡文迪许实验室的日常事务，麦克斯韦每学期都会做一次电磁学或热力学的讲座。他热心宣传电磁理论，在讲台上普及新理论。可惜听众不多。他不擅长讲课，更何况电磁理论这么深奥，和传统物理有很大区别！1878年5月，他做了一个关于电话的科普讲座。电话在当时是个新生事物，刚刚爆发。贝尔在1875发明了电话，并于次年获得专利。爱迪生在1877公布了阻抗麦克风。这些人类电信史上的新发明引起了麦克斯韦的极大兴趣。也许，他预感到自己的理论有一天会给这些发明插上翅膀，传遍全世界。
麦克斯韦的晚年生活充满了烦恼。没有人理解他的理论，他的妻子已经病了很长时间。这双重不幸使他筋疲力尽。他妻子生病后，整个家庭生活都乱了套。马克斯韦尔一直对妻子体贴入微。为了照顾妻子，他三个星期没在床上睡过觉。尽管如此，他的演讲和实验室工作从未停止过。过度的焦虑和疲劳最终损害了他的健康。同事们注意到这位无私的科学家越来越瘦，脸色越来越苍白。然而，他还是那么顽强地工作着。
1879 165438+10月5日，麦克斯韦因癌症去世，享年49岁。物理学史上，一颗能和牛顿一起发光的星星陨落了。非常遗憾，他英年早逝。他的理论为现代科学技术开辟了一条崭新的道路，但他的成果在他活着的时候并没有受到重视。麦克斯韦的一生是全能的一生，是自我牺牲的一生。这位伟大科学家的荣誉远不及法拉第，直到他去世多年后，赫兹证明电磁波的存在后，人们才意识到，他被公认为“继牛顿之后世界上最伟大的数学物理学家”。