麥克斯韋“畫蛋”

1845年十四歲的麥克斯韋跟隨父親到愛丁堡皇家學會參加學術會議。會上，他看到有一位畫家葉海伊在表演用幾何作圖方法畫橢圓。小麥克斯韋從小就喜歡思考問題，他從這次表演受到了很大的啟發。他想既然橢圓這個二次曲線能用簡易方法畫出，那么，用作圖方法能不能畫出復雜的“蛋形”呢？受好奇心和求知欲的驅使，麥克斯韋開始鉆研起來。不久，他找到了畫“蛋形”曲線的方法，接著又得到“蛋形”曲線的數學式子。

麥克斯韋的研究受到他父母的好友、愛丁堡大學數學教授福布施的重視，在教授的指導下，麥克斯韋將這一成果寫成論文。可是由于他年紀小，個子和講臺差不多高，論文只得由福布施代他在學術會上宣讀，十五歲的麥克斯韋因此獲得了金質獎。這件事點燃了他智慧的火花，從此，揚起信心的風帆，開始了科學生涯的旅程。

受這次成功的影響，麥克斯韋逐漸習慣用數形結合的思維方法，十六歲進大學后，當一個問題可以用數學分析求解時，他總是獨特地再用幾何方法來思考。或是把幾何問題用分析的方法加以研究。后來，他得以把法拉等的磁力線想象成一連串的“漩渦”，建立它們的方程，得到電磁學理論的數學模型。1855年，二十四歲的麥克斯韋寫成《論法拉第力線》的論文，把磁力線的概念用數學作了表述 。憑借他的數學才能把法拉第的成果加以總結提高，這篇論文成了他步入數學物理學家行列的第一步。
　　
　　物理研究的成功源于有扎實的數學基礎

　　后來麥克斯轉學到了劍橋大學三一學院。在劍橋學習期間，他打下了扎實的數學基礎，為他爾后把數學分析和實驗研究緊密結合奠定了很好的基礎。他閱讀了W.湯姆生的科學著作，他十分贊同法拉第提出的新觀點，并且精心研究法拉第的《電學的實驗研究》一書。他以法拉第的力線概念為指導，透過這些似乎雜亂無章的實驗記錄，看出了它們之間實際上貫穿著一些簡單的規律。于是，他發表了第一篇電磁學論文《論法拉第的力線》。在這篇論文中，法拉第的力線概念獲得了精確的數學表述，并且由此導出了庫侖定律和高斯定律。這篇文章還只是限于把法拉第的思想翻譯成數學語言，還沒有引導到新的結果。

19世紀上半葉，電磁學的實驗研究發展迅速，二三十年代發現了電流的磁效應和電磁感應現象，打破了電與磁是孤立現象的傳統觀念。但是電磁學的理論研究進展相對緩慢，無法建立把電現象和磁現象統一起來的理論體系。到1850年前后，電和磁的實驗和理論研究都積累了大量的、然而又是不全面的成果，迫切要求在更加普遍的觀點下加以概括和總結。但是當時的人們受牛頓力學觀的影響，認為電力和磁力的作用和引力作用一樣是“超距作用”。正是這種傳統觀念阻礙了電和磁的統一。直到法拉第提出“場”的概念之后，這種錯誤的觀念才被打破，但是法拉第的思想卻為當時絕大多數科學家所輕視。

“我最重要的工作是把法拉第的物理觀點用數學表達出來”

使麥克斯韋成為歷史上最偉大的科學家之一的工作是他關于電磁學的研究，麥克斯韋說，“我最重要的工作是把法拉第的物理觀點用數學表達出來”。麥克斯韋提出的電磁輻射的概念和他的場方程組，是根據法拉第的電力線和磁力線的實驗觀察提出來的，從而引出了愛因斯坦的狹義相對論，并建立了質量和能量的等效性原理。麥克斯韋被大多數近代物理學家看作是19世紀的科學家，但他對20世紀的物理學影響很大，他與牛頓和愛因斯坦齊名。

麥克斯韋從劍橋大學畢業后不久就開始研究電磁學。他選擇了“場”的概念作為研究的出發點。在1855年到1864年間，麥克斯韋從場的觀點對法拉第電磁感應定律進行了理論分析，在總結前人工作的基礎上引入位移電流的概念，建立了一組微分方程，就是著名的麥克斯韋方程組。該方程組確定電荷、電流（運動的電荷）、電場、磁場之間的普遍聯系，是電磁學的基本方程。這組方程不僅標志著經典物理學大廈的最后完成，而且預見了電磁波的存在，并證明電磁波傳播的速度與真空中的光速是相同的。由于光和電磁波在本質上是相同的。光是一定波長的電磁波，這就是麥克斯韋創立的光的電磁學說。這是人類在認識光的本性方面的又一大進步。正是在這一意義上，人們認為麥克斯韋把光學和電磁學統一起來了，這是19世紀科學史上最偉大的綜合之一。 

1864年，麥克斯韋發表了一篇有劃時代意義的電磁學論文，這是他在經歷了無數次的失敗后，用純數學的方法對自法拉弟、安培以來的電磁理論的成功總結，他在其中將全部電磁現象規律歸結表述為兩組方程，即麥克斯韋方程，并根據對這兩組方程的推導結果大膽地預言了一種以光速傳播著的波也就是電磁波的存在。 麥克斯韋的理論當時只有少數幾個猶豫不決的支持者。24年后，德國物理學家赫茲在振盪放電實驗中證明了麥克斯韋的預言，不久意大利的馬可尼和俄國人波波夫又在赫茲實驗的基礎上各自獨立地發明了無線電報。

這樣，麥克斯韋方程不僅實現了自牛頓以來物理學的又一次偉大綜合，而且為日后風靡全球的無線電技術奠定了基礎，從此電磁波走進了千家萬戶的生活。

有人說麥克斯韋方程是改變世界的方程，這一點也不算夸張。深入了解科學的歷史將會發現，這樣的方程還遠不止是麥克斯韋方程。應該說明，數學與人類生產的聯系是復雜的、曲折的。數學往往會走在前頭，然后再在生產中獲得應用，即依靠數學內部矛盾的推動而發展起來的純粹的、抽象的理論，最終會反過來推動社會生產的發展，在科學史上不乏這樣的例子。 

麥克斯韋方程組以一種公理關系的方程組形式表達了電磁場的本質，表現了物理學進步的真正特征。他以法拉第的力線概念為指導，透過這些似乎雜亂無章的實驗記錄，看出了它們之間實際上貫穿著一些簡單的規律。于是，他發表了第一篇電磁學論文《論法拉第的力線》。在這篇論文中，法拉第的力線概念獲得了精確的數學表述，并且由此導出了庫侖定律和高斯定律。這篇文章還只是限于把法拉第的思想翻譯成數學語言，還沒有引導到新的結果。

1855年，劍橋大學懸賞解決土星光環的組成和穩定性問題。麥克斯韋在嘗試解決這一問題的過程中對大量碰撞物體的運動問題發生了興趣，并試圖用概率理論加以研究。1859年，他運用概率理論導出了著名的麥克斯韋速度分布率。他的這一工作奠定了氣體統計力學的基礎，標志著物理學新紀元的開始。統計觀念的確立是近代物理學思想上的一個重要轉變，它不僅在近代機械自然觀上打開了一個缺口，而且為量子力學的建立和發展提供了思想武器和方法工具。 

1862年他發表了第二篇論文《論物理力線》，不但進一步發展了法拉第的思想，擴充到磁場變化產生電場，而且得到了新的結果：電場變化產生磁場，由此預言了電磁波的存在，并證明了這種波的速度等于光速，揭示了光的電磁本質。這篇文章包括了麥克斯韋研究電磁理論達到的主要結果。1864年他的第三篇論文《電磁場的動力學理論》，從幾個基本實驗事實出發，運用場論的觀點，以演繹法建立了系統的電磁理論。1873年出版的《電學和磁學論》一書是集電磁學大成的劃時代著作，全面地總結了19世紀中葉以前對電磁現象的研究成果，建立了完整的電磁理論體系。這是一部可以同牛頓的《自然哲學的數學原理》、達爾文的《物種起源》和賴爾的《地質學原理》相媲美的里程碑式的著作。

在英國廣播公司評選的近一千年最偉大的十位思想家，英國物理學家詹姆斯·麥克斯韋榜上有名。麥克斯韋對科學的偉大貢獻在于他提出和發展了新的世界觀，為未來的科學研究指明了方向。他的電磁學理論通向相對論；他的氣體動力學理論對量子論起過作用；他籌建并領導的卡文迪許實驗室引導了實驗原子物理學的發展。這一切使他成為牛頓之后、愛因斯坦之前最重要的物理學家。