中外科学家发明家丛书:麦克斯韦_2-第4节
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
这也正是麦克斯韦论文第一部分结尾的论题。第二部分完全是涉及电磁学
的。在这个部分，麦克斯韦发展了关于电磁过程的一个新的形式理论。出发
点是一个闭合电路的磁效应与一个具有同样周长的均匀磁化铁壳的磁效应之
间的同一性，这种同一性安培曾经确定过，在运用解析方法时，麦克斯韦仿
效了汤姆逊的《磁学的数学理论》，并广泛运用了汤姆逊1847年首次证明的
一条定理。麦克斯韦采取由汤姆逊开始的分析路线，列出了一个用于描述电
流与磁力线的四个矢量之间关系的一套方程组。用这个方程可以得出电磁感
应建立时的电动势和一个电磁系统的总能量，用新的函数提供了方程式以表
示寻常磁作用、电磁感应及闭合电流之间的力。麦克斯韦循着法拉第对假想
的物质应力状态的某些想法，把这种函数叫做电致紧张函数。
这篇论文是麦克斯韦迈入电磁学大门的第一步，虽然基本上是对法拉第
力线概念的数学翻译，但却是重要的一步，因为麦克斯韦从入手就使用了数
学方法，而且又是选定了法拉第学说的精髓——力线思想，来作自己研究的
起点，这是非常具有开创性的。在论文中，麦克斯韦除了解释法拉第的工作
和给出电致紧张函数外，还包含着许多新观念的萌芽。麦克斯韦在以后的工
作使这些观念重新发出了活力和光彩。
… Page 16…
五、力线理论的突破
1860年，麦克斯韦来到伦敦。一到伦敦，麦克斯韦便特意去拜访法拉第。
在阿伯丁的四年，他的工作虽然很多，但心中总有一个心愿，就是继续进行
他曾经有所建树的电磁学研究。
与法拉第的会晤在麦克斯韦心中留下了深刻的印象。那是一个晴和的秋
日，麦克斯韦做了自我介绍后，递上了4年前曾写的论文《论法拉第的力线》。
法拉第此时已年近古稀，两鬓斑白，他微笑着看着眼前这个年轻人，两人一
见如故，亲切交谈起来。
在阳光下，两个伟大的人物的见面有着划时代的意义。他们不仅在年龄
上相差40岁，在性情、爱好方面也迥然不同，可是他们对物质世界的看法却
产生共鸣。这是一个奇妙的会面，法拉第快活、和蔼，麦克斯韦严肃、机智。
老师是一团温暖的火，学生是一把锋利的剑。麦克斯韦不善言辞，法拉第讲
起话来则娓娓动听。一个不擅长数学，另一个却运用自如，两个人在科学方
法上也恰恰相反：法拉第专于实验探索，麦克斯韦却长于理论概括。两位巨
匠可谓是相辅相成，在许多方面可以互补。爱因斯坦曾把他们称为一对，就
像伽利略和牛顿一样。麦克斯韦自己也谈到了这一点：“因为人的心灵各有
不同类型，科学真理也就应该有各种不同的表现形式，不管他以具有生动的
物理色彩的粗犷形式表现，不是以一种朴实无华的符号形式来表现，它都应
当被当作是同样科学的。”这话有一定的道理，因为法拉第是把他引入电磁
学大门的人，他内心由衷地尊敬这位前辈老师。但是，不同的科学方法，所
发掘科学的深度却往往不同，法拉第用直观形象的方式表述的真理，麦克斯
韦最后用惊人的数学才能把它概括出来，并提高到理论的高度，所以他的认
识就更深刻，更深入事物的本质，因而也更带有普遍性。
法拉第在4年以前曾经注意到《论法拉第的力线》一文，但是作者是这
么年轻有为的人是他所没有料到的。当麦克斯韦向他征求有关的意见时，法
拉第说：“我从不认为自己的学说就是真理，但你是真正能够理解它的人。”
法拉第沉吟片刻后说：“这是一篇出色的文章，但你不应该停留于用数学来
解释我的观点，而应该突破它！”
法拉第的话，极大地鼓舞了这个年轻的科学家。为麦克斯韦点燃了火把，
照亮了前进的道路。在名师的指点下，麦克斯韦信心百倍地投入了电磁科学
研究事业。
为了更直观透彻地研究电磁学这个新的课题，麦克斯韦设计了一个理论
模型，试图对法拉第力线观念作进一步的探讨。这个模型完全建立在机械结
构的类比上，有人称之为“以太模型”，现在看起来是一个相当枯燥复杂的
结构，有一个英国的现代科学史学家，用了大量篇幅也没有解释清楚这个结
构。事实上，在麦克斯韦的工作后期，他也舍弃了这个模型，但是当时麦克
斯韦就是凭借这个模型，成功地作出了正确的判断和结论。
在对这个模型进行讨论的时候，麦克斯韦了发现了一个重要的事实，引
起了他的注意。为了分析介质的性质，他根据已有的方法和结论，将电的静
电单位与电磁单位相除，比值为一个常数，具有速度量纲，麦克斯韦惊奇地
发现，这个数值竟恰好等于光速！
这难道不是巧合吗？为了这个发现，麦克斯韦感到非常兴奋。在妻子的
帮助下他又反复检查了各项数据，确信没有一点差错。这是一个非常了不起
… Page 17…
的发现，因为实际上意味着他算出了电磁波传播速度与光速一样。正是这个
发现，促使麦克斯韦9年后断定光就是电磁波。
1862年，麦克斯韦完成了论文《论物理的力线》，在这篇论文中他叙述
了“位移电流”的概念，并阐述了他的以太模型及有关介质的探讨。论文是
以设计一种占有空间的介质的尝试开始的，这种介质应当可以用来说明法拉
第那种与磁力线相联系的应力。这篇论文的结束就是我们刚才所谈的麦克斯
韦发现。
麦克斯韦在此把磁体描画成一种吸管，这种吸管一端在以太流体中吸入
以太，而从另一端将以太排出。从几何学上来讲，在两个这样管子之间的流
动与两个磁体之间的磁力线完全相同的，但从物理学上来讲这两种作用是相
反的，两个磁体就象两端按平方比律关系相互吸引的两个管子，而不象两端
相互排斥的两个管子。
麦克斯韦的物理力线理论就在于把磁场中的转动这一假说从寻常的物质
推广到以太。他考虑了深置于不可压缩流体中涡旋的排列。在正常情况下，
压强在各方向是相同的，但转动引起的离心力使每一涡旋发生纵向收缩并施
加经向压强，这正模拟了法拉第力线学说中所提的应力分布。由于使每一涡
旋的角速度同局部磁场强度成正比，麦克斯韦得出了同已有的关于磁体、稳
恒电流及抗磁体之间力的理论完全相同的公式。根据流体的观察实验，麦克
斯韦认为各涡旋之所以能沿同一指向自由转动，是因为各涡旋由一层微小的
粒子同与它相邻的涡旋格开，这种粒子与电完全相同。
根据这种观点，电不是约束在导体内的流体，而成了一种在空间中传播
的一种新实体。在导体中它可以自由运动（尽管受到阻力）；在绝缘体中（包
括最主要的绝缘体——空气）中，它保持固定不动。电流的磁作用和感应作
用当时被表示如下。假如用一根金属线将以太模型中的粒子线结合起来，当
电流流动时，运动粒子便使与之相邻近的涡旋转动；这些涡旋由于有粒子固
着于周围，就象齿轮那样，将运动传给其它的涡旋，使运动面无限扩大。这
些涡旋就构成了力线。当第二根金属线参与进来以后，它平行于第一根金属
线，并具有有限的电阻。金属线一的稳恒电流不会影响金属线二，但“一”
中的任何变化会通过介入的粒子传递一个冲动，在金属线二中引起一个反向
电流，这个电流通过电阻渐渐消耗掉，这一系列的运动就是感应。
麦克斯韦在前两部分中运用了大量证据材料对结论作出了很好的证明。
他的论文原打算也就到此结束，而且在第二部分印出来以前不打算写第三部
分。这其间他一直在考虑着在整个电介质中电流与电荷感应的关系。1854
年，他曾对汤姆逊说过，对流线与电力线之间类比的严格论述，只不过会引
入传导的极端形式而已。麦克斯韦作出了在空间中传播电的图象，他通过使
涡旋介质成为弹性介质的方法，提出了更好的描述，这些一部分来自于法拉
第的科学观念启示；但麦克斯韦在研究的同时，也发现其中存在有很多矛盾。
在以前，包括法拉第等许多人在内，人们在研究电流产生磁场时，指的总是
传导电流，也就是在导体中自由电子的运动所形成的电流。麦克斯韦发现，
例如在连接变电源的电容器中，电介质内并不存在自由电荷，也就是没有传
导电流，但磁场却同样存在。麦克斯韦经过反复思考、计算和分析，他得出
了两个惊人的结果。一是既然导体周围的电粒子现在能作弹性位移，那么变
化着的电流就不再象管中的水那样是完全被约束的：它在某种程度上来说进
入了金属线周围的空间。这也就是麦克斯韦对位移电流的最初认识。二是经
… Page 18…
过缜密的运算，他认为电磁速度量纲几乎与光速相同。
从理论上引出位移电流的概念，是法拉第在电磁学上发现电磁感应后的
又一重大突破。根据这一科学假设，麦克斯韦导出了两个非常复杂、抽象的
微分方程式，在后来经过完善后，被称为麦克斯韦方程组。这组方程，从两
方面发展了法拉第的成就，一是位移电流，它表明不仅变化的磁场产生电场，
而且变化的电场也产生磁场；二是方程不仅完满地解释了电磁感应现象，还
进行了理论推广，也就是凡是有磁场变化之处，其周围不论是导体或电介质，
都有感应电场存在。
在《论物理的力线》一文中，麦克斯韦对前人的工作进行了创造性总结，
电磁现象的规律，经过法拉第的实验研究、汤姆逊的类比研究，终于被麦克
斯韦用不可动摇的严密的数学形式揭示出来。电磁学至此才开始成为一种科
学的理论。
在自然科学的历史上，一般只有当某一科学发展到了高峰，才可能用数
学公式表示成定律的形式。这些定律不仅能解释已知的物理现象，还可以揭
示出某些尚未发现的东西。正如牛顿的万有引力定律在后来被人们所引用发
现了海王星一样，麦克斯韦在《论物理的力线》一文中，预见了电磁波的存
在。他指出，既然交变的电场会产生交变的磁场，而交变的磁场又会产生交
变的电场，这种交变的电磁场就会以波的形式向空间散布开去。麦克斯韦的
这篇论文，终于突破了法拉第的力线思想，作出了属于他的辉煌理论。这一
年，他只有31岁。
然而麦克斯韦并未满足自己已有的成果而举足不前，他仍然向电磁学领
域的更深处前进。1863年，他在别人的帮助下完成了他的第三篇论文《论电
学量的基本关系》，这是麦克斯韦电学研究中迈出的重要一步，在以往却常
常被人忽视。在这篇论文里，他推广傅立叶在热的理论中开始的程序，宣布
了同质量、长度、时间度有关的电学量和磁学量的定义，以便于提供对那种
二元的电学单位制的第一个最完整透彻的说明。他引入了成为标准的记号，
把量纲关系表示为用括弧括起来的质量、长度、时间量度的幂 （音mì）的乘
积，带有各自的无量纲的乘数。在这一年，麦克斯韦已经找到了在电磁量与
光速之间的一个纯唯象性质的环节。
1865年，他发表了第四篇论文《电磁场的动力学理论》，为解决与光速
之间的纯唯象问题提供了一个新的理论框架。它以实验和几个普遍的动力学
原理为根据，证明了不需要任何有关分子涡旋或电粒子之间的力的专门假
设，电磁波在空间的传播就会发生。在这篇论文中，麦克斯韦完善了他的方
程式。他采用拉格朗日和哈密顿创立的数学方法，由该方程组直接导出了电
场和磁场的波动方程，其波动的传播速度为一个介电系数和导磁系数的几何
平均的倒数，这一速度正当等于光速。这一结果又再一次与麦克斯韦四年以
前的推算结果完全一致。至此电
