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1 库仑 (Charlse-Augustin de Coulomb ), 汉语译为 : 查利 奥古斯丁 库仑 法国工程师 物理学家 1736 年 6 月 14 日生于法国昂古莱姆 1806 年 8 月 23 日在巴黎逝世 早年就读于美西也尔工程学校 离开学校后, 进入皇家军事工程队当工程师 法国大革命时期, 库仑辞去一切职务, 到布卢瓦致力于科学研究 法皇执政统治期间, 回到巴黎成为新建的研究院成员 1773 年发表有关材料强度的论文, 所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用到现在, 是结构工程的理论基础 1777 年开始研究静电和磁力问题 当时法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的磁针问题 库仑认为磁针支架在轴上, 必然会带来摩擦, 提出用细头发丝或丝线悬挂磁针 研究中发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系, 从而可利用这种装置测出静电力和磁力的大小, 这导致他发明扭秤 他还根据丝线或金属细丝扭转时扭力和指针转过的角度成正比, 因而确立了弹性扭转定律 他根据 1779 年对摩擦力进行分析, 提出有关润滑剂的科学理论, 于 1781 年发现了摩擦力与压力的关系, 表述出摩擦定律 滚动定律和滑动定律 设计出水下作业法, 类似现代的沉箱 1785~1789 年, 用扭秤测量静电力和磁力, 导出著名的库仑定律 库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段, 是电磁学史上一块重要的里程碑

2 安德烈 玛丽 安培 (André-Marie Ampère,1775 年 1836 年 ), 法国化学家, 在电磁作用方面的研究成就卓著, 对数学和物理也有贡献 电流的国际单位安培即以其姓氏命名 另有电流单位及其它相关意项 1775 年 1 月 20 日生于里昂一个富商家庭,1836 年 6 月 10 日卒于马赛 1802 年他在布尔让 - 布雷斯中央学校任物理学和化学教授 ;1808 年被任命为法国帝国大学总学监, 此后一直担任此职 ;1814 年被选为帝国学院数学部成员 ;1819 年主持巴黎大学哲学讲座 ;1824 年担任法兰西学院实验物理学教授 安培最主要的成就是 1820~1827 年对电磁作用的研究 1820 年 7 月,H.C. 奥斯特发表关于电流磁效应的论文后, 安培报告了他的实验结果 : 通电的线圈与磁铁相似 ;9 月 25 日, 他报告了两根载流导线存在相互影响, 相同方向的平行电流彼此相吸, 相反方向的平行电流彼此相斥 ; 对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论 通过一系列经典的和简单的实验, 他认识到磁是由运动的电产生的 他用这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性 他提出分子电流假说 : 电流从分子的一端流出, 通过分子周围空间由另一端注入 ; 非磁化的分子的电流呈均匀对称分布, 对外不显示磁性 ; 当受外界磁体或电流影响时, 对称性受到破坏, 显示出宏观磁性, 这时分子就被磁化了 在科学高度发展的今天, 安培的分子电流假说有了实在的内容, 已成为认识物质磁性的重要依据 为了进一步说明电流之间的相互作用,1821~1825 年, 安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验, 并根据这四个实验导出两个电流元之间的相互作用力公式 1827 年, 安培将他的电磁现象的研究综合在 电动力学现象的数学理论 一书中, 这是电磁学史上一部重要的经典论著, 对以后电磁学的发展起了深远的影响 为了纪念安培在电学上的杰出贡献, 电流的单位安培是以他的姓氏命名的

3 他曾研究过概率论和积分偏微分方程, 显示出他在数学方面奇特的才能 他还做过化学研究, 几乎与 H. 戴维同时认识到元素氯和碘 ; 比 A. 阿伏伽德罗晚 3 年导出阿伏伽德罗定律 安培小时候记忆力极强, 数学才能出众 他父亲受卢梭 ( ) 的教育思想的影响很深, 决定让安培自学, 经常带他到图书馆看书 安培自学了 科学史 百科全书 等著作 他对数学最着迷,13 岁就发表第一篇数学论文, 论述了螺旋线 1799 年安培在里昂的一所中学教数学 1802 年二月安培离开里昂去布尔格学院讲授物理学和化学, 四月他发表一篇论述赌博的数学理论, 显露出极好的数学根底, 引起了社会上的注意 后来应聘在拿破仑创建的法国公学任职 1808 年安培任法国帝国大学总学监,1809 年任巴黎工业大学数学教授 1814 年当选为法国科学院院士 1824 年任法兰西学院实验物理学教授 1827 年当选为英国伦敦皇家学会会员 他还是柏林 斯德哥尔摩等科学院的院士 安培在物理学方面的主要贡献是对电磁学中的基本原理有重要发现, 如安培定律 安培定则和分子电流等 1820 年七月二十一日丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应 法国物理学界长期信奉库仑关于电 磁没有关系的信条, 这个重大发现使他们受到极大的震动, 以阿拉果 ( ), 安培等为代表的法国物理学家迅速作出反应 八月末阿拉果在瑞士听到奥斯特成功的消息, 立即赶回法国, 九月十一日就向法国科学院报告了奥斯特的实验细节. 安培听了报告之后, 第二天就重复了奥斯特的实验, 并于九月十八月向法国科学院报告了第一篇论文, 提出了磁针转动方向和电流方向的关系服从右手定则, 以后这个定则被命名为安培定则 九月二十五日安培向科学院报告了第二篇论文, 提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引, 电流方向相反的两皋平行载流导线互相排斥 十月九日报告了第三篇论文, 阐述丁各种形状的曲线载流导线之间的相互作用 后来, 安培又做了许多实验, 并运用高度的数学技巧于 1826 年总结出电流元之间作用力的定律, 描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小 间距以及相对取向之间的关系 后来人们把这个定律称为安培定律 十二月四日安培向科学院报告了这个成果 安培并不满足于这些实验研究的成果 1821 年一月, 他提出了著名的分子电流的假设, 认为每个分子的圆电流形成十个小磁体, 这是形成物体宏观磁性的原因 安培还对比了静力学和动力学的名称, 第一个把研究动电的理论称为 电动力学, 并于 1822 年出版了 电动力学的观察汇编,1827 年出版了螟电动力学理论 此外, 安培还发现, 电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似, 创制出第一个螺线管, 在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计 安培的研究还涉及哲学 化学等领域, 甚至还研究过植物分类学上的复杂问题

4 1836 年, 安培以大学学监的身份外出巡视工作, 不幸途中染上急性肺炎, 医治无效, 于六月十日在马赛去世, 终年 61 岁 后人为了纪念安培, 用他的名字来命名电流强度的单位, 简称 安 科学成就 安培最主要的成就是 1820~1827 年对电磁作用的研究 1 发现了安培定则奥斯特发现电流磁效应的实验, 引起了安培注意, 使他长期信奉库仑关于电 磁没有关系的信条受到极大震动, 他全部精力集中研究, 两周后就提出了磁针转动方向和电流方向的关系及从右手定则的报告, 以后这个定则被命名为安培定则 2 发现电流的相互作用规律接着他又提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引, 电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥 对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论 3 发明了电流计安培还发现, 电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似, 创制出第一个螺线管, 在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计 4 提出分子电流假说他根据磁是由运动的电荷产生的这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性 提出了著名的分子电流假说 安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流 分子电流 由于分子电流的存在, 每个磁分子成为小磁体, 两侧相当于两个磁极 通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的, 它们产生的磁场互相抵消, 对外不显磁性 当外界磁场作用后, 分子电流的取向大致相同, 分子间相邻的电流作用抵消, 而表面部分未抵消, 它们的效果显示出宏观磁性 安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实, 它带有相当大的臆测成分 ; 在今天已经了解到物质由分子组成, 而分子由原子组成, 原子中有绕核运动的电子, 安培的分子电流假说有了实在的内容, 已成为认识物质磁性的重要依据 5 总结了电流元之间的作用规律 安培定律安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验, 并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律, 描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小 间距以及相对取向之间的关系 后来人们把这定律称为安培定律 安培第一个把研究动电的理论称为 电动力学,1827 年安培将他的电磁现象的研究综合在 电动力学现象的数学理论 一书中 这是电磁学史上一部重要的经典论著 为了纪念他在电磁学上的杰出贡献, 电流的单位 安培 以他的姓氏命名 他在数学和化学方面也有不少贡献 他曾研究过概率论和积分偏微方程 ; 他几乎与 H 戴维同时认识元素氯和碘, 导出过阿伏伽德罗定律, 论证过恒温下体积和

5 压强之间的关系, 还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系 趣闻轶事 1. 怀表变卵石安培思考科学问题专心致志, 据说有一次, 安培正慢慢地向他任教的学校走去, 边走边思索着一个电学问题 经过塞纳河的时候, 他随手拣起一块鹅卵石装进口袋 过一会儿, 又从口袋里掏出来扔到河里 到学校后, 他走进教室, 习惯地掏怀表看时间, 拿出来的却是一块鹅卵石 原来, 怀表已被扔进了塞纳河 2. 马车车厢做 黑板 还有一次, 安培在街上散步, 走着走着, 想出了一个电学问题的算式, 正为没有地方运算而发愁 突然, 他见到面前有一块 黑板, 就拿出随身携带的粉笔, 在上面运算起来 那 黑板 原来是一辆马车的车厢背面 马车走动了, 他也跟着走, 边走边写 ; 马车越来越快, 他就跑了起来, 一心一意要完成他的推导, 直到他实在追不上马车了才停下脚步 安培这个失常的行动, 使街上的人笑得前仰后合 3. 电学中的牛顿 安培将他的研究综合在 电动力学现象的数学理论 一书中, 成为电磁学史上一部重要的经典论著 麦克斯韦称赞安培的工作是 科学上最光辉的成就之一, 还把安培誉为 电学中的牛顿 安培还是发展测电技术的第一人, 他用自动转动的磁针制成测量电流的仪器, 以后经过改进称电流计 安培在他的一生中, 只有很短的时期从事物理工作, 可是他却能以独特的 透彻的分析, 论述带电导线的磁效应, 因此我们称他是电动力学的先创者, 他是当之无愧的

6 比奥 (Biot,Jean Baptiste, ) 法国物理学家 大地测量学家 数学家 1774 年 4 月 21 日生于巴黎 ;1862 年 2 月 3 日卒于巴黎 比奥是财务官的儿子,1792 年在军队服役一年, 同英军作战 之后, 他入巴黎工艺学院, 在拉格朗日和贝托莱指导下学习 他和马吕斯参加了 1795 年的街头暴乱, 这次暴乱被轻而易举地镇压下去了, 它标志着法国大革命 ( ) 的结束 暴乱镇压者是拿破仑, 他从此迈出了崛起的第一步 比奥为此坐了一段牢 以后比奥始终反对拿破仑 比奥曾提议, 并认真地校对了拉普拉斯的巨著 天体力学, 因而使自高自大的拉普拉斯很高兴, 便提名让比奥去法兰西学院任物理教授 比奥证明自己无愧于这个职务 Félix Savart, , 法国物理学家

7 迈克尔 法拉第 (Michael Faraday, ), 英国著名物理学家 化学家 在化学 电化学 电磁学等领域都做出过杰出贡献 他家境贫寒, 未受过系统的正规教育, 但却在众多领域中作出惊人成就, 堪称刻苦勤奋 探索真理 不计个人名利的典范, 对于青少年富有教育意义 1 刻苦认真自学成才迈克尔 法拉第, 于 1791 年 9 月 22 日出生在萨里郡纽因顿的一个铁匠家庭 13 岁就在一家书店当送报和装订书籍的学徒 他有强烈的求知欲, 挤出一切休息时间 贪婪 地力图把他装订的一切书籍内容都从头读一遍 读后还临摹插图, 工工整整地作读书笔记 ; 用一些简单器皿照着书上进行实验, 仔细观察和分析实验结果, 把自己的阁楼变成了小实验室 在这家书店待了八年, 他废寝忘食 如饥似渴地学习 他后来回忆这段生活时说 : 我就是在工作之余, 从这些书里开始找到我的哲学 这些书中有两种对我特别有帮助, 一是 大英百科全书, 我从它第一次得到电的概念 ; 另一是马塞夫人的 化学对话, 它给了我这门课的科学基础 在哥哥赞助下,1810 年 2 月至 1811 年 9 月他听了十几次自然哲学的通俗讲演, 每次听后都重新誊抄笔记, 并画下仪器设备图 1812 年 2 月至 4 月又连续听了汉弗莱 戴维 4 次讲座, 从此燃起了进行科学研究的愿望 他曾致信皇家学院院长求助 失败后, 他写信给戴维 : 不管干什么都行, 只要是为科学服务 他还把他的装帧精美的听课笔记整理成 汉弗莱 戴维爵士讲演录 寄上 他对讲演内容还作了补充, 书法娟秀, 插图精美, 显示出法拉第一丝不苟和对科学的热爱 经过戴维的推荐,1813 年 3 月,24 岁的法拉第担任了皇家学院助理实验员 后来戴维曾把他发现法拉第作为自己最重要的功绩而引以为荣 法拉第 1813 年随同戴维赴欧洲大陆作科学考察旅行,1815 年回国后继续在皇家学院工作, 长达 50 余年 1816 年发表第一篇科学论文 他最初从事化学研究工

8 作, 也涉足合金钢 重玻璃的研制 在电磁学领域, 倾注了大量心血, 取得出色成绩 1824 年被选为皇家学会会员,1825 年接替戴维任皇家学院实验室主任,1833 年任皇家学院化学教授 2 长期实践大胆探索他的工作异常勤奋, 研究领域十分广泛 1818~1823 年研制合金钢期间, 首创金相分析方法 1823 年从事气体液化工作, 标志着人类系统进行气体液化工作的开始 采用低温加压方法, 液化了氯化氢 硫化氢 二氧化硫 氢等 1824 年起研制光学玻璃, 这次研究导致在 1845 年利用自己研制出的一种重玻璃 ( 硅酸硼铅 ), 发现了磁致旋光效应 1825 年在把鲸油和鳝油制成的燃气分馏中发现苯 他最出色的工作是电磁感应的发现和场的概念的提出 1821 年在读过奥斯特关于电流磁效应的论文后, 为这一新的学科领域深深吸引 他刚刚迈入这个领域, 就取得重大成果 发现通电流的导线能绕磁铁旋转, 从而跻身著名电学家的行列 因受苏格兰传统科学研究方法影响, 通过奥斯特实验, 他认为电与磁是一对和谐的对称现象 既然电能生磁, 他坚信磁亦能生电 经过 10 年探索, 历经多次失败后,1831 年 8 月 26 日终于获得成功 这次实验因为是用伏打电池在给一组线圈通电 ( 或断电 ) 的瞬间, 在另一组线圈获得的感生电流, 他称之为 伏打电感应 尔后, 同年 10 月 17 日完成了在磁体与闭合线圈相对运动时在闭合线圈中激发电流的实验, 他称之为 磁电感应 经过大量实验后, 他终于实现了 磁生电 的夙愿, 宣告了电气时代的到来 作为 19 世纪伟大实验物理学家的法拉第, 他并不满足于现象的发现, 还力求探索现象后面隐藏着的本质 ; 他既十分重视实验研究, 又格外重视理论思维的作用 1832 年 3 月 12 日他写给皇家学会一封信, 信封上写有 现在应当收藏在皇家学会档案馆里的一些新观点 那时的法拉第已经孕育着电磁波的存在以及光是一种电磁振动的杰出思想, 尽管还带有一定的模糊性 为解释电磁感应现象, 他提出 电致紧张态 与 磁力线 等新概念, 同时对当时盛行的超距作用说产生了强烈的怀疑 : 一个物体可以穿过真空超距地作用于另一个物体, 不要任何一种东西的中间参与, 就把作用和力从一个物体传递到另一个物体, 这种说法对我来说, 尤其荒谬 凡是在哲学方面有思考能力的人, 决不会陷人这种谬论之中 他开始向长期盘踞在物理学阵地的超距说宣战 与此同时, 他还向另一种形而上学观点 流体说进行挑战 1833 年, 他总结了前人与自己的大量研究成果, 证实当时所知摩擦电 伏打电 电磁感应电 温差电和动物电等五种不同来源的电的同一性 他力图解释电流的本质, 导致他研究电流通过酸 碱 盐溶液, 结果在 1833~1834

9 年发现电解定律, 开创了电化学这一新的学科领域 他所创造的大量术语沿用至今 电解定律除本身的意义外, 也是电的分立性的重要论据 1837 年他发现电介质对静电过程的影响, 提出了以近距 邻接 作用为基础的静电感应理论 不久以后, 他又发现了抗磁性 在这些研究工作的基础上, 他形成了 电和磁作用通过中间介质 从一个物体传到另一个物体的思想 于是, 介质成了 场 的场所, 场这个概念正是来源于法拉第 正如阿尔伯特 爱因斯坦所说, 引入场的概念, 是法拉第的最富有独创性的思想, 是艾萨克 牛顿以来最重要的发现 牛顿及其他学者的空间, 被视作物体与电荷的容器 ; 而法拉第的空间, 是现象的容器, 它参与了现象 所以说法拉第是电磁场学说的创始人 他的深邃的物理思想, 强烈地吸引了年轻的麦克斯韦 麦克斯韦认为, 法拉第的电磁场理论比当时流行的超距作用电动力学更为合理, 他正是抱着用严格的数学语言来表述法拉第理论的决心闯入电磁学领域的 法拉第坚信 : 物质的力借以表现出的各种形式, 都有一个共同的起源, 这一思想指导着法拉第探寻光与电磁之间的联系 1822 年, 他曾使光沿电流方向通过电解波, 试图发现偏振面的变化, 没有成功 这种思想是如此强烈, 执着的追求使他终于在 1845 年发现强磁场使偏振光的偏振面发生旋转 他的晚年, 尽管健康状况恶化, 仍从事广泛的研究 他曾分析研究电缆中电报信号迟滞的原因, 研制照明灯与航标灯 他的成就来源于勤奋, 他的主要著作 日记 由 则汇编而成 ; 电学实验研究 有 3362 节之多 3 治学谨严刚正真诚法拉第一生热爱真理, 热爱人民, 真诚质朴, 作风严谨, 这样的感人事迹很多 他说 : 一件事实, 除非亲眼目睹, 我决不能认为自己已经掌握 我必须使我的研究具有真正的实验性 在 1855 年给化学家申拜因的信中说 : 我总是首先对自己采取严厉的批判态度, 然后才给别人以这样的机会 在一次市哲学会的讲演中他指出 : 自然哲学家应当是这样一些人 : 他愿意倾听每一种意见, 却下定决心要自己作判断 ; 他应当不被表面现象所迷惑, 不对某一种假设有偏爱, 不属于任何学派, 在学术上不盲从大师 ; 他应当重事不重人, 真理应当是他的首要目标 如果有了这些品质, 再加上勤勉, 那么他确实可以有希望走进自然的圣殿 他是这样说的, 也确实是这样做的

10 他在艰难困苦中选择科学为目标, 就决心为追求真理而百折不回, 义无反顾, 不计名利, 刚正不阿 他热爱人民, 把纷至沓来的各种荣誉 奖状 证书藏之高阁, 却经常走访贫苦教友的家庭, 为穷人只有纸写的墓碑而浩然兴叹 他关心科学普及事业, 愿更多的青少年奔向科学的殿堂 1826 年他提议开设周五科普讲座, 直到 1862 年退休他共主持过 100 多次讲座, 并积极参与皇家学院每年 圣诞节讲座 凡 19 年 根据他的讲稿汇编出版了 蜡烛的故事 一书, 被译为多种文字出版, 是科普读物的典范 他生活简朴, 不尚华贵, 以致有人到皇家学院实验室作实验时错把他当作守门的老头 1857 年, 皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任皇家学会会长 对这一荣誉职务他再三拒绝 他说 : 我是一个普通人 如果我接受皇家学会希望加在我身上的荣誉, 那么我就不能保证自己的诚实和正直, 连一年也保证不了 同样的理由, 他谢绝了皇家学院的院长职务 当英王室准备授予他爵士称号时, 他多次婉言谢绝说 : 法拉第出身平民, 不想变成贵族 他的好友 J.Tyndall 对此作了很好的解释 : 在他的眼中看去, 宫廷的华丽, 和布来屯 (Brighton) 高原上面的雷雨比较起来, 算得什么 ; 皇家的一切器具, 和落日比较起来, 又算得什么? 其所以说雷雨和落日, 是因为这些现象在他的心里, 都可以挑起一种狂喜 在他这种人的心胸中, 那些世俗的荣华快乐, 当然没有价值了 一方面可以得到十五万镑的财产, 一方面是完全没有报酬的学问, 要在这两者之间去选择一种 他却选定了第二种, 遂穷困以终 这就是这位铁匠的儿子 订书匠学徒的郑重选择 1867 年 8 月 25 日逝世, 墓碑上照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月 后世的人们, 选择了法拉作为电容的国际单位, 以纪念这位物理学大师 在电学方面, 法拉第研究负载直流电的导体与附近磁场之间的关系, 在物理学中建立起磁场这个概念 他发现了电磁感应 抗磁性及电解 另外, 他也发现磁场能对光线产生影响, 进而发现两者间的基本关系 另外, 法拉第还发明了一种依电磁转动的装置, 为电动机的前身 在化学方面, 法拉第发现了不同的化学物质, 如苯类 他还发明了一种加热工具, 是本生灯的前身 化学中的氧化数也出自法拉第之手, 另外如阳极 阴极 电极及离子等现今电化学中经常使用的专有名词, 也是由法拉第推广给世人 虽然法拉第只受过很少的正式教育, 这使得他的数学程度相对有限, 但不可否认, 法拉第仍是历史上最伟大的科学家之一 他把电孕育成可用技术, 为了纪念法拉第, 电容值的国际单位被命名为法拉, 符号为 Far, 此外,1 摩尔的电子所含的电量 ( 约 库仑 ) 也被称为法拉第常数, 让世人缅怀他在电学上无与伦比的贡献 法拉第电磁感应定律陈述一随时间改变的磁场会创造与磁场强度成正比的电动势 法拉第在英国皇家研究机构 (Royal Institution) 中任富勒里安化学教

11 授, 并指为终身职 在所有任过此职者中, 法拉第为第一个, 也是最为出名的学者 4. 人物名言 1 希望你们年轻的一代, 也能像蜡烛为人照明那样, 有一分热, 发一分光, 忠诚而脚踏实地地为人类伟大的事业贡献自己的力量 2 一旦科学插上幻想的翅膀, 它就能赢得胜利 3 我不能说我不珍视这些荣誉, 并且我承认它很有价值, 不过我却从来不曾为追求这些荣誉而工作 4 拼命去争取成功, 但不要期望一定会成功 5 科学家不应是个人的崇拜者, 而应当是事物的崇拜者 真理的探求应是他唯一的目标 6 爱情既是友谊的代名词, 又是我们为共同的事业而奋斗的可靠保证, 爱情是人生的良伴, 你和心爱的女子同床共眠是因为共同的理想把两颗心紧紧系在一起 7 只有无知, 没有不满

12 詹姆斯 克拉克 麦克斯韦 (James Clerk Maxwell ) 是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家 1831 年 11 月 13 日生于苏格兰的爱丁堡 10 岁时进入爱丁堡中学学习 1847 年进入爱丁堡大学学习数学和物理 1850 年转入剑桥大学三一学院数学系学习,1856 年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授 1860 年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授 于 1873 年出版了电磁场理论的经典巨著 电磁学通论, 1871 年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授, 负责筹建卡文迪许实验室, 1874 年建成后担任这个实验室的第一任主任, 直到 1879 年 11 月 5 日在剑桥逝世 人物简介詹姆斯 克拉克 麦克斯韦是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家 1831 年 11 月 13 日生于苏格兰的爱丁堡, 自幼聪颖, 父亲是个知识渊博的律师, 使麦克斯韦从小受到良好的教育 10 岁时进入爱丁堡中学学习 14 岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文, 已显露出出众的才华 1847 年进入爱丁堡大学学习数学和物理 1850 年转入剑桥大学三一学院数学系学习,1854 年以第二名的成绩获史密斯奖学金, 毕业留校任职两年 1856 年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授 1860 年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授 1861 年选为伦敦皇家学会会员 1865 年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果, 完成了电磁场理论的经典巨著 论电和磁 [1], 并于 1873 年出版,1871 年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授, 负责筹建著名的卡文迪什实验室,1874 年建成后担任这个实验室的第一任主任, 直到 1879 年 11 月 5 日在剑桥逝世 麦克斯韦主要从事电磁理论 分子物理学 统计物理学 光学 力学 弹性理论方面的研究 尤其是他建立的电磁场理论, 将电学 磁学 光学统一起来, 是 19 世纪物理学发展的最光辉的成果, 是科学史上最伟大的综合之一 他预言了

13 电磁波的存在 这种理论预见后来得到了充分的实验验证 他为物理学树起了一座丰碑 造福于人类的无线电技术, 就是以电磁场理论为基础发展起来的 麦克斯韦大约于 1855 年开始研究电磁学, 在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后, 坚信法拉第的新理论包含着真理 于是他抱着给法拉第的理论 提供数学方法基础 的愿望, 决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来 他在前人成就的基础上, 对整个电磁现象作了系统 全面的研究, 凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文 : 论法拉第的力线 (1855 年 12 月至 1856 年 2 月 ); 论物理的力线 (1861 至 1862 年 ); 电磁场的动力学理论 (1864 年 12 月 8 日 ) 对前人和他自己的工作进行了综合概括, 将电磁场理论用简洁 对称 完美数学形式表示出来, 经后人整理和改写, 成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组 据此,1865 年他预言了电磁波的存在, 电磁波只可能是横波, 并计算了电磁波的传播速度等于光速, 同时得出结论 : 光是电磁波的一种形式, 揭示了光现象和电磁现象之间的联系 1888 年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在 麦克斯韦于 1873 年出版了科学名著 电磁理论 系统 全面 完美地阐述了电磁场理论 这一理论成为经典物理学的重要支柱之一 在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献, 他是气体动理论的创始人之一 1859 年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律, 从而找到了由微观两求统计平均值的更确切的途径 1866 年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法, 这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的 他引入了驰豫时间的概念, 发展了一般形式的输运理论, 并把它应用于扩散 热传导和气体内摩擦过程 1867 年引入了 统计力学 这个术语 麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师, 他非常重视实验, 由他负责建立起来的卡文迪什实验室, 在他和以后几位主任的领导下, 发展成为举世闻名的学术中心之一 他善于从实验出发, 经过敏锐的观察思考, 应用娴熟的数学技巧, 从缜密的分析和推理, 大胆地提出有实验基础的假设, 建立新的理论, 再使理论及其预言的结论接受实验检验, 逐渐完善, 形成系统 完整的理论 特别是汤姆孙 W 卓有成效地运用类比的方法使麦克斯韦深受启示, 使他成为建立各种模型来类比研究不同物理现象的能手 在他的电磁场理论的三篇论文中多次使用了类比研究方法, 寻找到了不同现象之间的联系, 从而逐步揭示了科学真理 1888 年, 赫兹用实验成功证明电磁波的存在, 而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩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 父亲的影响

14 在科学史上, 一些重大的理论, 常常要靠许多人的前赴后继 不辞劳苦的努力, 才能创立起来 19 世纪, 导致物理学爆发一场革命的电磁理论的创立, 就是这样的 从奥斯特 安培发现电流的磁效应开始, 经过法拉第的奠基, 到理论的完成, 前后经历了半个多世纪 最后完成这个理论的人, 是英国杰出的数学家物理学家詹姆斯 克拉克 麦克斯韦 麦克斯韦比法拉第小 40 岁 1831 年 11 月 13 日, 他生在苏格兰古都爱丁堡, 跟电话发明家贝尔 (1847~1922) 是同乡 法拉第发现电磁感应恰好也在 1831 年 这一年就成了电学史上值得纪念的一年 麦克斯韦的父亲约翰 克拉克 麦克斯韦, 是个热衷于技术和建筑设计的律师, 对麦克斯韦的一生影响很大 约翰 克拉克 麦克斯韦思想开通, 讲究实际, 非常能干 家里的大小事情, 从修缮房屋 剪裁衣服到制作玩具, 他样样都会做 他在爱丁堡附近的乡下有座庄园, 麦克斯韦的童年就是在这座庄园里度过的 这个孩子从小喜欢思考问题, 很受父母宠爱 小家伙跟着父母出去玩, 一张小嘴总要不停地提出各种各样的问题 沿途所见, 从路边的桑树 脚下的石块, 直到行人的穿着表情, 都成了他发问的内容 有些幼稚可笑的问题, 常常把过路人也逗乐了 一次他们看见路旁停着一辆空马车, 两岁的麦克斯韦突然问父亲 : 爸爸, 你看那辆马车为什么不走呢? 父亲信口回答 : 它在休息 它为什么要休息呢? 大约累了吧, 父亲敷衍说 不, 儿子纠正说, 它是肚子痛! 不是肚子痛, 是累了 不是累了, 是肚子痛! 儿子一口咬定 父亲忍不住笑了起来 后来, 麦克斯韦稍大一点, 提的问题更有意思了, 比如 树木为什么向天上长 呀, 蚂蚁会不会说话 呀 有一天, 麦克斯韦的姨妈给他带来一篮苹果 小家伙缠住她问 : 苹果为什么是红的? 姨妈被这个突然的问题难住了, 一时不知道怎样回答才好 为了摆脱窘境, 她就叫麦克斯韦去吹肥皂泡玩, 谁知道个主意更糟了 肥皂泡在阳光下呈现出美丽的五颜六色, 使得麦克斯韦又惊又喜, 向她提出了更多的关于颜色的问题 父亲见儿子对自然感兴趣, 非常高兴, 后来就带他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座, 当时他的个头还没有讲台高呢! 约翰 克拉克 麦克斯韦本人是皇家学会的活跃分子, 儿子跟随他经常出入科学界, 受到不少熏陶 麦克斯韦童年的欢乐是短暂的 他八岁那年, 母亲患肺结核不幸去世 这种病在今天是不难治好的, 但是在一个世纪以前的当时, 却是不治之症 因为那时没有特效药, 一个人得了肺病, 就等于判了死刑 和麦克斯韦同时代的英国女作家夏洛蒂 勃朗特 ( 简 爱 作者 ) 三姊妹, 贝尔的两个兄弟, 都是因为患肺病夭折的 母亲去世以后, 麦克斯韦的父亲挑起了哺养 教育儿子的全部担子 他既是父亲, 又兼做母亲, 操了不少心 幼年丧母本来是不幸的, 麦克斯韦失去母爱,

15 性情渐渐变得孤僻 内向 他最大的快乐, 是形影不离地跟着父亲走, 给父亲当个小小的帮手 父子两人朝夕相处, 相依为命, 关系非常亲密 麦克斯韦 10 岁那年, 进了爱丁堡中学 中学的生活充满了喧闹和戏剧性 他是在学期中间插班的, 第一天上课就受到全班的嘲笑 几个调皮学生看到这个新来的同伴怯生 腼腆, 直向他扮鬼脸 由于麦克斯韦童年一直在父亲乡下的庄园里生活, 讲话有很重的乡土音 当老师点名叫他回答问题的时候, 他刚一开口就引起哄堂大笑 有一次, 大约因为发音太怪, 连一位文质彬彬的女教师都忍不住笑出泪来 从此老师就很少提问他了 更糟的是, 他的衣服全是父亲做的, 与众不同 19 世纪英国的服装很讲究 妇女把华丽当做时髦 男人却讲究戴高筒礼帽, 不论老少, 脖子上还要围一条紧绷绷的硬领 麦克斯韦的父亲认为这不但系起来不方便, 而且也不卫生 他不顾习俗, 给儿子来了个小小的服装改革 这个多才多艺的律师亲自设计 亲手剪裁, 替麦克斯韦做了一套简便的紧身服, 可以不用穿外套, 并且甩掉硬领的累赘 麦克斯韦的皮鞋也是父亲做的, 大约是为了缝合的方便, 皮鞋头是方的, 鞋帮上还有金属纽扣 没料到, 这些 奇装异服 却给麦克斯韦招来了许多屈辱 他在班上成了一只名副其实的 丑小鸭, 处处被排挤, 受讥笑 每次放学回家, 他不是紧身服被人扯破, 就是腰带不翼而飞 父亲看到这种情景, 痛惜地摇摇头, 决定取消这不走运的 服装改革, 儿子尽管眼泪汪汪, 却顽强地要坚持穿到底, 因为他相信父亲的设计是无可非议的, 他不愿向暴力屈服 数学才华麦克斯韦照样穿着父亲做的衣服进出课堂 他为了保持服装的整洁, 常常要用拳头自卫 同学们发现这个新生并不是可以随便欺侮的, 就有意孤立他 麦克斯韦本来就怕羞, 现在更不愿意和大家往来了 在班里, 面对着同学们的热嘲冷讽, 他沉默着, 但是却从来没有低过头 在忍无可忍的时候, 他就用尖刻 辛辣的话来进行回击 下课以后, 他总爱独自坐在树下读歌谣, 画一些只有他自己才看得懂的图画 要不, 他就一个人躲在教室的角落里, 专心致志地演算父亲给他出的数学题 同班同学都不理解他, 老师也认为他是个古怪的孩子 大家暗中给他取了个外号, 叫他 瓜娃 整个爱丁堡中学, 只有低年级的两个学生跟他很友好 那两个学生在班上大约也是受气的, 可以说是同病相怜 就这样, 麦克斯韦在冷眼中度过了中学的最初时光 谁也没有想到, 到了中年级的时候, 出现了奇迹 一次学校里举行数学和诗歌比赛, 评选揭晓的时候, 爆了个大冷门 : 两个科目的一等奖都由同一个人获得

16 这个出类拔萃的少年不是别人, 而是一向不被人看在眼里的麦克斯韦! 这不但使全班同学惊奇得睁大了眼睛, 连级任老师也感到意外 他们这才发现, 这只灰色的 丑小鸭 原来是一只白天鹅 这次比赛改变了麦克斯韦在班里的地位 优等生总是受崇拜的, 再也没有谁取笑他的服装和说话的声音了, 同学们开始尊敬他, 向他请教疑难问题 麦克斯韦成为全校拔尖的学生, 获得了许多奖励 他的光彩, 看起来有些像彗星那样突然出现, 实际上却是刻苦学习的结果 麦克斯韦对数学 物理学有浓厚的兴趣, 尤其喜欢数学 他的数学天赋, 最早是父亲在无意中发现的 在麦克斯韦还只有几岁的时候, 有一天, 父亲叫他画插满金菊的花瓶 麦克斯韦画完交卷的时候, 父亲拿过他的画, 边看边笑了起来 因为满纸涂的都是几何图形 : 花瓶是梯形, 菊花成了大大小小一簇圆圈, 还有一些奇奇怪怪的三角, 大概是表示叶子的 从这以后, 父亲就开始教他几何学, 过后又教他代数 于是, 他和数学结下了不解之缘 后来, 他在数学竞赛中夺得了冠军, 决不是偶然的 麦克斯韦的数学才华, 使他很快突破了课本的界限 他还没满 15 岁, 就写了一篇数学论文, 发表在 爱丁堡皇家学会学报 上 一个最高学术机构的学报刊登孩子的论文, 是罕见的, 麦克斯韦的父亲为这件事感到自豪 论文的题目, 是讨论二次曲线的几何作图 据说这个问题, 当时只有大数学家笛卡尔 (1596~ 1650) 曾经研究过 麦克斯韦的方法同笛卡尔的方法不但不雷同, 而且还要简便些 当审定论文的教授确证了这一点的时候, 都感到非常吃惊 1846 年 4 月, 这篇论文在皇家学会上宣读 通常宣读论文的都是作者本人, 这一次却不是 因为考虑到麦克斯韦实在太年轻了, 论文是由一位教授代读的 麦克斯韦不但是个少年科学家, 而且还是个小诗人 有趣的是, 历史上不少著名的科学家都能做诗 罗蒙诺索夫常常把写诗当做消遣, 他的颂歌很受叶卡德琳娜女皇青睐 因为这个缘故, 罗蒙诺索夫几次幸免于政治迫害 化学大师戴维也是一位诗歌高手, 只是因为他在科学方面的成就非常大, 他的诗歌创作的光华才被掩盖了 麦克斯韦的诗歌, 成就虽然不及罗蒙诺索夫, 却也自成一格 他的诗常被同学传抄 朗诵 麦克斯韦一生都没有放弃过写诗的爱好, 不过, 他却从来没有想过要当一个诗人 他的诗多半是即兴的作品, 他常常在亲友们欢聚的时候给他们朗读自己的诗 诗的内容, 有不少是科学题材 麦克斯韦在中学时代, 还喜欢玩陀螺 它类似我国儿童玩的那种陀螺, 玩的时候用绳子不断地抽打, 陀螺就不停地在地上旋转 据说他一生都爱玩陀螺, 还教他的许多朋友玩过 另外, 对一种叫做活动画筒的玩具, 他也有强烈的兴趣 麦克斯韦的这两种爱好, 不单纯是为了娱乐, 主要还是为了探索科学的道理 这两种玩具的原理, 后来都被他应用到科学上去了

17 1847 年秋天,16 岁的麦克斯韦中学毕业以后, 考进了苏格兰最高学府爱丁堡大学, 专门攻读数学和物理学 他是班上年纪最小的学生, 坐位在最前排, 站队总是在最后, 书包里揣着陀螺和诗集 这个前额饱满 两眼炯炯有神的小伙子, 很快就引起了全班的注意 他不但考试名列前茅, 而且经常对老师的讲课提出问题 有一次, 他指出一位讲师讲的公式有错误 那个讲师起初不相信, 回答说 : 如果你的对了, 我就把它称做麦氏公式! 讲师晚上回家一验算, 果然是自己讲错了 到大学二年级的时候, 麦克斯韦掌握的知识已相当广泛了 除了学习必修的功课, 他还开始自己搞研究, 选题范围涉及光学 电化学和分子物理学三个领域 这对锻炼他独立思考的能力起了很好的作用 不久, 他在 爱丁堡皇家学会学报 上又发表了两篇论文 一位赏识他的物理教授, 还特许他单独在实验室做实验 爱丁堡大学给麦克斯韦留下了良好的回忆 在这里, 他获得了登上科学舞台所必需的基本训练 但是, 三年以后, 对麦克斯韦说来, 这个摇篮显得狭小了 为了进一步深造,1850 年他在征得父亲的同意以后, 离开了爱丁堡 转到人才辈出的剑桥大学学习 利器在手剑桥大学创立在 1209 年, 是英国首屈一指的高等学府, 有优良的科学传统 牛顿曾经在这里工作过 30 多年, 达尔文 (1809~1882) 也是在这里毕业的 19 岁的麦克斯韦初到剑桥大学, 一切都觉得新鲜, 他几乎每天都和父亲通信, 报告自己的见闻 感想和学习收获 第二年, 他由于考试成绩优异, 获得了奖学金 当时, 大学生大多数都是自费, 获得奖学金的总是最勤奋的学生 按照规定, 获得奖学金的学生都在一起吃饭, 因此, 麦克斯韦结识了一群有为的年轻人, 他逐渐克服了少年时代的孤僻, 活跃起来 不久, 他被吸收加入了一个叫做 使徒社 的学术团体 这个团体又叫做 精选论文俱乐部, 专门评选学生中最优秀的论文 有意思是, 使徒社 的名称是根据 圣经 取的 因为耶稣只有 12 个门徒, 使徒社 也只能由 12 个成员组成, 所以整个剑桥大学每届只能有 12 个学生属于这个团体 这个团体实际上是一个小小的 皇家学会, 必须是最出类拔萃的学生才有资格参加 这个时期, 麦克斯韦专攻数学, 读了大量的专著 他的学习方法, 不像法拉第那样循序渐进, 井井有条 他读书不大讲究系统性, 有时为了钻研一个问题, 他可以接连几周其他什么都不管 ; 而另一个时候, 他又可能碰到什么就读什么, 漫无边际, 像一个性急的猎手, 在数学领域里纵马驰骋

18 课后, 使徒社 的成员们常在一起讨论各种问题 他们很欣赏麦克斯韦即兴创作的诗, 但是要和他对话却很困难, 因为麦克斯韦说起话来, 和他读书一样, 常常是天马行空, 前言不搭后语, 一个题目还没有讲完, 他跳到另一个题目上去了 他的思路过于敏捷, 让人难以捉摸 再加上他还保持着小时候的习惯, 喜欢突然提一此奇怪的问题, 比如 死甲虫为什么不导电呢? 活猫和活狗摩擦可以生电吗? 就更使人反应不过来了 有一次, 一位朋友同他到郊外散步 整个傍晚, 大约都在讨论对某道难题的解法, 麦克斯韦不停地说着, 对方生怕不能领会, 听得很仔细, 但是最后还是一句都没有听懂 麦克斯韦这种机枪式讲授法, 给他后来当教授带来不少困难 他一生都不被人理解 中学时候他的服装不被同学理解 ; 大学时候他的语言不被人理解 ; 到后来, 他的学说也是很长时间不被人理解 尽管 话不投机, 社友们还是把他看做他们中间独一无二的人 麦克斯韦惊人的想象 闪电般的思维能力 讥诮的诗句, 把他们征服了 这是一个奇才, 需要名师指点, 才能放出异彩 幸运的是, 有个偶然的机会, 麦克斯韦果然遇上了伯乐, 那就是剑桥大学的教授 著名数学家霍普金斯 一天, 霍普金斯到图书馆借书, 他要的一本数学专著恰被人先借去了 一般学生是不可能读懂那本书的, 教授有些诧异, 向管理员询问借书人的名字, 管理员回答说 : 麦克斯韦 数学家找到麦克斯韦, 看见年轻人正埋头作摘抄, 笔记上涂得乱七八糟, 毫无秩序 霍普金斯不由得对这个青年发生了兴趣, 诙谐地说 : 小伙子, 如果没有秩序, 你永远成不了优秀的数学物理学家! 霍普金斯所说的数学物理学家, 是指善于运用数学方法解决理论问题的物理学家, 通常也称做理论物理学家, 需要在数学和物理学上都有很高的造诣 从这以后, 麦克斯韦成了霍普金斯的研究生 霍普金斯学问渊博, 培养出了不少人才 有多方面成就的威廉 汤姆生 ( 就是著名的开尔文勋爵 ) 和数学家斯托克斯 (1819~1903), 都是他的门下 麦克斯韦在导师的指导下, 首先克服了杂乱无章的学习方法 霍普金斯对他的每一个选题, 每一步运算都要求得很严格 那时, 麦克斯韦还参加了剑桥大学的斯托克斯讲座 斯托克斯比他大 12 岁, 在数学和流体力学上都有建树, 他在数学上的重要发现在科学史上曾经有记载 经过两位优秀数学家的指教, 麦克斯韦进步很快, 不出三年就掌握了当时所有先进的数学方法, 成了有为的青年数学家 霍普金斯对他的评价是 : 在我教过的全部学生中, 毫无疑问, 这是最杰出的一个! 尤其重要的是, 麦克斯韦不是一个抽象的数学家 这一点也要归功于他的老师 历来的数学家有两派, 一派以古希腊的毕达哥拉斯 ( 约前 580~ 约前 500) 为鼻祖, 认为世界的本原就是抽象的数, 数学决定一切 ; 另一派以 17 世纪的笛卡尔为代表, 他指出数学是客观事物的定量反映, 也是一种知识工具 这位解析几何的创始人, 曾经针对那些纯粹的数学家说 : 没有什么比埋头到空洞的数学和抽象

19 的图形中更无聊的了 这两种对立的态度, 导致人们对数学持有两种不同的看法 一种把数学看成纯粹的符号, 为数学而数学 ; 另一种却把生动的物理学概念同数学结合起来了, 把数学当成研究物理学的手段 霍普金斯和斯托克斯都属于笛卡尔派 麦克斯韦受到他们的直接影响, 很重视数学的作用 他一开始就把数学和物理学结合起来 这一点对他以后完成电磁理论, 是重要的 1854 年,23 岁的麦克斯韦参加了数学学位考试 主考人是斯托克斯, 题目涉及曲面积分和线积分, 难度很大 事后大家才知道, 那是斯托克斯刚发现的一个定理 这个定理后来对麦克斯韦的电学研究大有帮助 考试结果, 麦克斯韦获得了甲等数学优等生第二名 也就是这一年, 他对电磁学产生了浓厚的兴趣 法国浪漫主义作家乔治 桑 (1804~1876) 说过 : 在抽剑向敌以前, 必须练好剑术 麦克斯韦现在掌握了过硬的数学本领, 他是利器在手, 只等冲锋了 继续着法拉第的事业麦克斯韦毕业以后留在学校工作 起初, 他研究的课题是光学里的色彩论 不久他读到了法拉第的 电学实验研究, 马上被书中新颖的实验和见解吸引住了 当时学术界对法拉第的学说看法不一致, 有不少非议 主要原因是 超距作用 的传统观念影响还很深, 旧的大厦动摇了, 但是并没有倒塌 ; 同时, 也因为法拉第的学说在理论上还不够严谨 作为实验大师, 法拉第有许多过人的地方, 唯独数学功夫不够, 他的创见都是用直观形式表达的 一般的理论物理学家都不承认法拉第的学说, 认为它不过是一些实验记录 有个天文学家就公开宣称 : 谁要是在精确的超距作用和模糊不清的力线观念之间有所迟疑, 谁就是对牛顿的亵渎! 在剑桥大学, 学者们也有分歧意见 其中最有见识的, 要算威廉 汤姆生了 这位青年教授对电学很有研究, 曾经多次向法拉第请教 在麦克斯韦毕业前一年, 汤姆生发表了一篇题目是 瞬变电流 的论文, 指出莱顿瓶的放电有振荡性质 麦克斯韦见到论文十分佩服, 他特地写信给汤姆生, 请求他告诉一些研究电学的门路 汤姆生比麦克斯韦大七岁, 他后来没有能够把电磁研究坚持到底 但是, 他对麦克斯韦却有不少帮助 麦克斯韦在给父亲的信里曾经高兴地谈到, 汤姆生很乐意指教他 麦克斯韦受这位先行者的启示, 相信法拉第的学说中包含着真理 他在认真研究了法拉第的著作以后, 省悟出力线思想的宝贵价值, 也看到了法拉第定性表述的弱点 这个初出茅庐的青年科学家决心用数学来弥补这一点

20 一年以后,24 岁的麦克斯韦麦表 论法拉第的力线, 这是他第一篇关于电磁学的论文 在论文中, 麦克斯韦通过数学方法, 把电流周围存在力线这个现象, 概括做一个高等数学里的矢量微分方程 根据这个方程, 每一股电流都产生一条环状磁力线 这一年 (1855), 恰好法拉第结束了长达 30 多年的电学研究, 他在科学笔记里写下了最后一个编号 :5430 正是 芳林新叶催陈叶, 流水前波让后波, 麦克斯韦接过了这位伟大先驱者的火炬, 开始向电磁领域的纵深挺进 论法拉第的力线 这篇论文, 虽然基本上是对法拉第力线概念的数学 翻译, 却是十分重要的一步 因为麦克斯韦一开始就使用了数学方法, 而且选定了法拉第学说的精髓 力线思想, 当做自己研究的起点 这表明麦克斯韦的科学洞察力确实是不同来凡响的 他认准了主攻方向, 就坚定不移地研究下去 他后来的一系列论文, 步步深入, 都是沿着这条正确道路走的 这一点, 是他比汤姆生高明的地方 汤姆生已经走到真理的边缘, 却迟疑不前 ; 麦克斯韦抓住了真理, 就锲而不舍 所以麦克斯韦尽管起步比较迟, 却第一个登上了光辉的顶峰 科学的道路总是不平坦的 正当麦克斯韦的研究很有希望的时候, 一桩不幸的事情打断了他的计划 一天, 他正在埋头研究几篇新近的电学资料, 邮递员送来一封家信 他拿到信, 一眼看出不是父亲的笔迹, 心头不由一惊 他许久以来担心的事情终于发生了 父亲年老体弱, 健康恶化, 突然病倒在床 那封信是父亲请别人代写的 麦克斯韦读完信, 心里十分焦虑和难过 他对父亲的感情是非常深的 从幼年起, 父亲就是他的良师益友, 也是整个家庭的支柱 十几年来, 他们朝夕相处, 十分融洽 麦克斯韦离家求学以后, 他们几乎每天通信, 交换各种科学思想和对社会的见解, 也畅谈有趣的日常生活 为了照顾父亲, 麦克斯韦只得离开剑桥大学, 到离家比较近的阿伯丁工作 阿伯丁是英国北部的一个海港, 那里的一所学院答应让麦克斯韦担任自然哲学讲师, 可是需要等一段时间 麦克斯韦整夜守在父亲床前, 尽力减轻老人的病痛 但是不论他怎样小心伺候, 还是没有挡住死神的降临 1856 年春天快要到来的时候, 父亲终于离开了人间 这在麦克斯韦生活中, 无疑是不可弥补的损失 他悲痛的心情久久不能平息 不久, 阿伯丁的马锐斯凯尔学院正式聘请他当自然哲学教授 麦克斯韦在就职以前, 回到剑桥大学办理一些事务, 停留了好几个月 他当时的心情很矛盾 对于母校, 他是留恋的, 而且父亲已经去世, 他留在阿伯丁的意义也不大了, 更主要的是他的电磁研究刚刚开始, 他不知道在阿伯丁有没有合适的研究条件 但是, 马锐斯凯尔学院已经给他下了聘书, 据说院长很赏识他, 他不好推脱, 只得上任了 这一去, 他的电磁研究竟推迟了四年

21 法拉第的启发 1860 年初夏, 马锐斯凯尔学院的物理学讲座由于某种原因停办了 28 的麦克斯韦离开阿伯丁港, 到伦敦皇家学院去任教 他的妻子也随同前往 这次工作调动, 是麦克斯韦一生事业的转折点 在这以前, 还有一段小小的插曲 麦克斯韦最初的母校爱丁堡大学, 也要聘请一个自然哲学教授 他开始是准备去那里的 应选的一共有三个人, 另外两个是他在剑桥大学的同学, 其中一个还是中学的同学 三个人里究竟应该取谁, 当局决定通过考试来决定 要是论学问, 麦克斯韦稳拿第一, 但是比口才, 他吃亏了 考试结果, 麦克斯韦名列最后, 连主考人对他的讲课能力都表示怀疑 当时一家爱丁堡杂志评论这件事, 也很替他惋惜 俗话说 : 塞翁失马, 焉知非福, 麦克斯韦没有被爱丁堡大学选中, 自然是件憾事, 但是他却因为这个转到了皇家学院, 完成了一生中最重要的贡献 麦克斯韦在阿伯丁的四年时间里, 一直怀着一桩心事, 就是想用数学工具表达法拉第的学说 他的这个愿望,1855 年只开了个头就搁下了 就是在研究土星的苦战中, 只要见到有关电磁学方面的文章, 也都会引起他密切的关注 他经常给法拉第写信, 探索电磁的奥秘 他的案头一直摆着 电学实验研究 每次打开这部辉煌的巨著, 他的情绪就十分激动 法拉第, 这位他当时还没有见过的伟人, 给物理学描绘了一幅多么形象的图画啊! 电 磁 光 力线 波动 在它们背后隐藏着什么规律呢? 麦克斯韦到伦敦以后特地拜访法拉第 这是一次难忘的会晤 青年物理学家递上名片, 不一会儿, 法拉第面带微笑地走了出来 这位实验大师已经年近七旬, 两鬓斑白 他同麦克斯韦一见如故, 亲切地交谈起来 这两位伟人, 他们不但在年龄上相差 40 岁, 而且在性格 爱好 特长等方面也迥然不同, 可是他们对物质世界的看法却产生了共鸣 这真是奇妙的结合 : 法拉第快活 和蔼, 麦克斯韦严肃 机智 老师是一团温暖的火, 学生像一把锋利的剑 麦克斯韦不善于辞令, 法拉第演讲起来却是娓娓动听 一个不精通数学, 另一个却对数学运用自如 两个人的科学方法也恰好相反 : 法拉第主要是实验探索, 麦克斯韦擅长理论概括 可以说, 他们在许多方面是互相补充的 ; 爱因斯坦曾经把他们称做一对, 说他们就像伽利略和牛顿一样, 相辅相成 麦克斯韦自己也谈到过这一点 : 因为人的心灵各有它不同的类型, 科学的真理也就应该用种种不同的形式表现, 不管它是用具有生动的物理学色彩的定性形式出现, 还是用朴素无华的一种符号表示出现, 它都应该被当做是同样科学的 这话自然是对的, 字里行间流露出对法拉第的尊敬 不过, 不同的科学方法, 发掘科学的深度却常

22 常不同 法拉第用直观而形象的方式表达的真理, 麦克斯韦最后用惊人的数学才能把它总结出来, 并且提到理论的高度, 所以他的认识就更深刻, 更透入事物的本质, 因此更带有普遍性 4 年以前, 法拉第曾经称赞过 论法拉第的力线 这篇论文, 他没有料到论文的作者竟这样年轻 当麦克斯韦征求他对论文的看法的时候, 法拉第说 : 我不认为自己的学说一定是真理, 但是你是真正理解它的人 先生能给我指出论文的缺点吗? 麦克斯韦谦虚地说 这是一篇出色的论文 法拉第沉思地说, 但是, 你不应该停留在用数学来解释我的观点, 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 他马上用最大的热情投入新的战斗 他设计了一个理论模型, 试图对法拉第的力线观念作进一步探讨 这个模型完全建立在机械结构的类比上, 有人称它是 以太模型, 现在看上去既枯燥又很不好懂 一位英国现代科学史家, 用了整页篇幅也没有说清楚 事实上, 麦克斯韦在晚期的著作里也舍弃了这个模型 奇怪的是, 麦克斯韦竟把它当作跳板, 成功地登上了真理的彼岸 大厦终于落成在讨论以太模型的时候, 麦克斯韦对自己发现的一个重要事实引起了极大的注意 他分析了法拉第对电介质的研究以后, 确认在电场变化着的电介质中, 也存在电流, 他把这称做 位移电流 另外, 他还计算出这种电流的速度 麦克斯韦惊奇地发现 : 位移电流的速度恰好等于光速! 这是偶然的巧合吗? 天下哪有这样的巧事 他兴奋得几天都没有睡好觉, 妻子帮他仔细核对了好几遍, 数据确实没有差错 这意味着他计算出了电磁波的传播速度同光速是相等的, 这是个非常了不起的发现, 尽管他当时还没有完全意识到这一点 几天后, 他写信给法拉第报告了这个结果 他在信里说, 他计算出的电磁波的传播速度是 每秒 公里, 而 12 年以前菲索 (1819~1896) 用直接实验测定的光速, 却是每秒 公里! 信寄出的时间是 1861 年 10 月 19 日 法拉第有没有给他回信, 史料上没有记载 但是毫无疑问, 正是这个发现, 促使麦克斯韦 4 年以后断定光就是电磁波 1862 年, 麦克斯韦在英国 哲学杂志 第 4 卷 23 期上, 发表了第二篇电磁学论文 论物理学的力线 文章一登出来, 立刻引起了广泛的注意 英国著名物理学家 电子的发现人约瑟夫 汤姆逊后来回忆说 : 我到现在还清晰地记得那篇论

23 文 当时, 我还是一个 18 岁的孩子, 一读到它, 我就兴奋极了! 那是一篇非常长的文章, 我竟把它全部抄下来了 这的确是一篇划时代的论文, 它同 1855 年的 论法拉第的力线 相比, 有了质的飞跃 论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译, 而是作了重大的引申和发展 其中具有决定意义的一步, 是引进了 位移电流 的概念 这以前, 包括法拉第在内, 人们讨论电流产生磁场的时候, 指的总是传导电流, 也就是在导体中自由电子运动所形成的电流 麦克斯韦在研究中感到这个旧概念存在很大的矛盾 比如在连接交变电源的电容器中, 电介质里并不存在自由电荷, 也就是没有传导电流, 但是磁场却同样存在 麦克斯韦经过反复思考和分析, 毅然指出, 这里的磁场是由另一种类型的电流形成的, 这种电流在任何电场变化着的电介质中都存在, 它和传导电流一起, 形成了闭合的总电流 麦克斯韦通过严密的数学推导, 求出了表示这种电流的方程式, 把它称做位移电流 从理论上引出位移电流的概念, 实在是电磁学上继法拉第电磁感应以后的一项重大突破 根据这个科学假设, 麦克斯韦推导出两个高度抽象的微分方程式 ( 方程式直到 1865 年才最后完善 ), 这就是著名的麦克斯韦方程式 这组方程式, 从两方面发展了法拉第的成就 一是位移电流, 它表明不但变化着的磁场产生电场, 而且变化着的电场也产生磁场 ; 二是方程式不但完满地解释了电磁感应现象, 而且还在理论上进行了总结 就是凡是有磁场变化的地方, 它的周围不管是导体或者电介质, 都有感应电场存在 经过麦克斯韦创造性的总结, 电磁现象的规律, 终于被他用不可动摇的数学形式揭示出来 电磁学到这时才开始成为一种科学的理论 在自然科学史上, 只有当某一种科学达到了高峰, 才可能用数学表示成定律形式 这些定律不但能够解释已知的物理现象, 而且还可以揭示出某些还没有发现的东西 正像牛顿的万有引力定律预见了海王星一样, 麦克斯韦在 论物理学的力线 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, 交变的磁场又会产生交变的电场, 那么, 这种交变的电磁场就会用波的形式向空间散布开去 当时, 麦克斯韦才 31 岁, 这是他一生中最辉煌的一年 麦克斯韦继续向电磁学领域的深度进军 1865 年, 他发表了第三篇电磁学论文 电磁场动力学 论文发表在 伦敦皇家学会学报 上 在这篇重要文献中, 麦克斯韦方程的形式更完善了 他采用法国数学家 力学家拉格朗日 (1736~1813) 和爱尔兰数学家 物理学家哈密顿 (1805~1865) 创立的数学方法, 由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程, 电磁波的传播速度根据那个波动方程的系数计算, 正好等于光速! 这同麦克斯韦 4 年以前推算的那个比值完全一样 直到这个时候, 电磁波的存在是确定无疑的了! 因此他大胆断定, 光也是一种电磁

24 波 法拉第当年关于光的电磁理论的朦胧猜想, 就这样由麦克斯韦变成了科学的理论 法拉第和麦克斯韦的名字, 从此联系在一起, 就跟伽利略和牛顿的名字一样, 在物理学上永放光彩 麦克斯韦在伦敦皇家学院总共任教 5 年 这 5 年是他一生中的多产时期 除了建立电磁理论以外, 他在分子物理学 气体动力学上也都有贡献 1865 年, 麦克斯韦正式宣布光的电磁学以后不久, 就辞去皇家学院的教席, 回到他的家乡格伦莱庄园系统地总结研究成果, 撰写电磁学专著 经过几年苦干, 他写的 电磁学通论 在 1873 年问世 这是一部电磁理论的经典著作, 麦克斯韦系统地总结了 19 世纪中叶前后, 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 这部巨著的重大意义, 完全可以同牛顿的 数学原理 ( 力学 ) 和达尔文的 物种起源 ( 生物学 数学 ) 相比较, 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, 巍然矗立起来了! 电磁学通论 的出版成了当时物理学界的一件大事 当时麦克斯韦已经回到剑桥大学任教, 他的朋友和学生对这部书已经期待很久了 人们争先恐后地到书店里去购买, 第一版几天就卖完了 最后的评价 电磁学通论 虽然一抢而空, 但是真正读懂的人却寥寥无几 不久, 就听到有人批评它艰深难懂 当然, 高度抽象的麦克斯韦微分方程, 毕竟不像 2 2=4 那么简单 单是两个公式 几个数学符号, 就包罗了电荷 电流 电磁 光等自然界一切电磁现象的规律, 这在一般人看来, 确实是不可思议的 另外, 还有一个更主要的原因, 就是从麦克斯韦宣布他的理论以后, 一直没有人发现电磁波 而能否证明有电磁波存在, 是检验麦克斯韦理论的关键 因此许多物理学家都抱着怀疑态度 就连从前热情鼓励麦克斯韦的威廉 汤姆生, 也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠 麦克斯韦的电磁理论, 在物理学上有划时代的意义 遗憾的是, 麦克斯韦本人没有能够证实自己的理论 ( 在一定程度上可以说是 没有去证实 ) 这有客观原因, 也有主观原因 由于环境和工作条件的限制, 麦克斯韦一直没有更多的机会从事电磁实验 热力学和分子物理学的研究, 耗去了他大部分时间和精力 再有, 他主要是个理论物理学家 就像他的学生弗莱明 (1849~1945) 后来所说的那样, 他从理论上预言了电磁波的存在, 但是好像从来没有想到过要用什么实验去证明它 法拉第一辈子都没有离开过实验, 可以说没有实验就没有法拉第 麦克斯韦

25 恰好相反, 他只是在伦敦的 5 年里进行了一些有限的实验, 而且多半是气体动力学方面的 他的寓所, 靠近屋顶的地方有一间狭长的阁楼, 那就是他的实验室 他的妻子常常给他当助手, 生火炉, 调节室内温度, 条件相当简陋 后来在皇家学院实验室里, 他作过一些电学实验, 也多只是测定标准电阻这一类工作 电磁学通论 完成以后, 麦克斯韦忙着筹建卡文迪许实验室, 整理卡文迪许 (1731~ 1810) 的遗著 由于以上这些原因, 电磁理论问世以后, 在相当长的时间里没有得到承认 最初只有剑桥大学的一些青年物理学家支持它 许多人, 包括一批有威望的科学家, 对还没有被证明的新理论, 都采取观望态度 劳厄 (1879~1960) 在 物理学史 中曾经这样评论说 : 尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性, 并且和一切经验相符合, 但是只能逐渐地被物理学家们接受 它的思想太不平常了, 甚至像赫尔姆霍茨和波尔茨曼 (1844~1906) 这样有异常才能的人, 为了理解它也花了几年的力气 几个春秋过去了 麦克斯韦把他的心血默默地献给了卡文迪许实验室 这座实验室在 1872 年破土, 到 1874 年完工 修建经费是一位鼓励科学的公爵捐赠的 为了增添仪器, 麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄 在整个筹建过程中, 从设计 施工 仪器购置, 直到大门上的题词, 麦克斯韦都亲自过问 它是实验室的创建人, 也是第一任主任 后来相继接替他的是瑞利 (1842~1919) 和约瑟夫 汤姆逊, 汤姆逊以后是卢瑟福 (1871~1937), 他们都是世界第一流的物理学家 这座实验室开花结果的时期在 20 世纪 大批优秀的科学人才, 尤其是原子能物理方面的人才, 都是从这里培养出来的 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 这项由公爵委托给他的任务, 工作相当繁重 卡文迪许是 18 世纪一位性情怪僻的英国著名物理学家和化学家 他曾经发现氢气, 确实水的化学组成, 第一个计算地球的质量, 在静电学上也很有研究 他终身未娶, 为人腼腆, 喜欢离群索居, 死后留下二十多扎没有发表的科学手稿, 大多涉及数学和电学, 其中不少很有价值的东西埋没了几乎半个世纪 整理这些资料是一件非常细致而困难的工作, 麦克斯韦为了完成这项工作, 作出了很大的牺牲 : 他放弃了自己的研究, 耗尽了精力 除了卡文迪许实验室的日常事务以外, 麦克斯韦每学期都要主讲一门课, 内容是电磁学或者热力学 他在讲台上热心地宣传电磁理论, 推广新学说 可惜听众不多 他本来就不善于讲演, 更何况电磁理论是那样的高深, 同传统的物理学大相径庭呢!1878 年 5 月, 他举行了一次有关电话的科普讲演 电话当时还是新事物, 刚刚破土而出 1875 年贝尔发明电话, 第二年取得专利,1877 年爱迪生公

26 布阻抗式送话器 这些人类电信史上的新发明, 引起了麦克斯韦莫大的兴趣 可能, 他当时已经预感到, 他的理论总有一天会给这些发明插上双翅, 传遍全球 麦克斯韦后期的生活充满了烦恼 他的学说没有人理解, 妻子又久病不愈 这双重的不幸, 压得他精疲力尽 妻子生病以后, 整个家庭生活的秩序都乱了 麦克斯韦对妻子一向体贴入微, 为了看护妻子, 他曾经整整三个星期没有在床上睡过觉 尽管这样, 他的讲演, 他的实验室工作, 却从来没有中断过 过分的焦虑和劳累, 终于损害了他的健康 同事们注意到这位无私的科学家在渐渐地消瘦下去, 面色也越来越苍白 但是, 他还是那样顽强地工作 1879 年是麦克斯韦生命的最后一年 这一年的春天来得很晚, 也格外冷 他的健康明显恶化, 但是他仍然坚持不懈地宣传电磁理论 这时, 他的讲座只有两个听众 一个是美国来的研究生, 另一个就是后来发明电子管的弗莱明 这是一幕多么令人感叹的情景啊! 空旷的阶梯教室里, 只在头排坐着两个学生 麦克斯韦夹着讲义, 照样步履坚定地走上讲台, 他面孔消瘦, 目光闪烁, 表情严肃而庄重 仿佛他不是在向两个听众, 而是在向全世界解释自己的理论 1879 年 11 月 5 日, 麦克斯韦患癌症去世, 终年只有 49 岁 物理学史上一颗可以同牛顿交相辉映的明星陨落了 他正当壮年就不幸夭折, 这是非常可惜的 他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路, 可是他的功绩, 在他活着的时候却没有得到人们重视 麦克斯韦的一生, 是咤叱风云的一生, 也是自我牺牲的一生 这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第, 直到他死后许多年, 在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到, 并且公认他是 牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家 麦克斯韦 ( ) 麦克斯韦是继法拉第之后, 集电磁学大成的伟大科学家 他依据库仑 高斯 欧姆 安培 毕奥 萨伐尔 法拉第等前人的一系列发现和实验成果, 建立了第一个完整的电磁理论体系, 不仅科学地预言了电磁波的存在, 而且揭示了光 电 磁现象的本质的统一性, 完成了物理学的又一次大综合 这一理论自然科学的成果, 奠定了现代的电力工业 电子工业和无线电工业的基础 麦克斯韦的逸闻与趣事 1. 从 乡巴佬 到 神童 麦克斯韦 8 岁那年, 母亲去世, 但在父亲深情的关照和详尽的指导下, 加上自己的勇气和求知欲, 麦克斯韦的童年仍然充满着美好 当他 10 岁进入爱丁堡中学读书时, 衣着土里土气, 带着浓重的乡下口音, 在班里受到出身名门的富家子

27 弟的嘲笑 欺侮, 叫他 乡巴佬, 但他十分顽强, 勤奋学习, 不受干扰, 很快就显示出自己的才华, 扭转了别人的看法 他在全校的数学竞赛和诗歌比赛中都取得了第一名, 成了有名的 神童 神童 不是天生的, 是他强烈的求知欲望和刻苦钻研的结果 麦克斯韦从小就有很强的求知欲和想象力, 爱思考, 好提问 据说还在他两岁多的时候, 有一次爸爸领他上街, 看见一辆马车停在路旁, 他就问 : 爸爸, 那马车为什么不走呢? 父亲说 : 它在休息 麦克斯韦又问 : 它为什么要休息呢? 父亲随口说了一句 : 大概是累了吧? 不, 麦克斯韦认真地说, 它是肚子疼! 还有一次, 姨妈给麦克斯韦带来一篮苹果, 他一个劲地问 : 这苹果为什么是红的? 姨不知道怎么回答, 就叫他去玩吹肥皂泡 谁知他吹肥皂泡的时候, 看到肥皂泡上五彩缤纷的颜色, 提的问题反而更多了 上中学的时候, 他还提过象 死甲虫为什么不导电, 活猫和活狗摩擦会生电吗 等问题 父亲很早就教麦克斯韦学几何和代数 上中学以后, 课本上的数学知识麦克斯韦差不多都会了, 因此父亲经常给他开 小灶, 让他带一些难题到学校里去做 每当同学们欢蹦乱跳地玩的时候, 麦克斯韦却进入了数学的乐园, 他常常一个人躲在教室的角落里, 或者独自坐在树荫下, 入迷地思考和演算着数学难题 麦克斯韦在上课的时候, 总是认真听讲, 积极思考 他不但爱提一些别出心裁的问题, 而且还能纠正老师讲课中出现的错误 据说有一次, 他发现一位讲师写的公式有错误, 立即站起来作了报告 老师很自信, 挖苦地说 : 如果是你对了, 我就把它叫做麦氏公式! 后来老师回家一验算, 果然是麦克斯韦对了 2. 巧遇名师 19 岁的麦克斯韦初到剑桥, 一切都觉得新鲜 这一时间, 麦克斯韦专攻数学, 读了大量的专门著作 不过, 他读书不大讲系统性 有时候, 为了钻研一个问题, 他可以接连几个星期什么事都不干 ; 有时候, 他又可能见到什么读什么, 漫无边际 这个善于学习和思考的年轻人, 需要名师点拨, 才能放出异彩 幸运的是, 一次偶然的机会, 麦克斯韦果然遇到了一位好老师, 这就是霍普金斯 霍普金斯是剑桥大学数学教授, 一天, 他到图书馆借书, 他要的一本数学专著不巧被一位学生先借走了 那书是一般学生不可能读懂的, 教授有些奇怪 他询问借书人名字, 管理员答道 麦克斯韦 教授找到麦克斯韦, 看见年轻人正埋头摘抄, 笔记本上涂得五花八门, 毫无头绪, 房间里也是乱糟糟的 霍普金斯不禁对青年发生了

28 兴趣, 诙谐地说 : 小伙子, 如果没有秩序, 你永远成不了优秀的数学物理家 从这一天开始, 霍普金斯成了麦克斯韦的指导教授 霍普金斯很有学问, 培养过不少人才 麦克斯韦在他的指教下, 首先克服了杂乱无章的学习方法 霍普金斯对他的每一个选题, 每一步运算都要求很严 这位导师还把麦克斯韦推荐到剑桥大学的尖子班学习, 这个班由有多方面成就的威廉 汤姆生 ( 开尔文 ) 和数学家斯托克主持, 他俩也曾是霍普金斯的学生, 数学造诣很高 经这两位优秀数学家的指点, 麦克斯韦进步很快, 不到三年, 就掌握了当时所有先进的数学方法, 成为有为的青年数学家 霍普金斯曾对人称赞他说 : 在我教过的所有学生中, 毫无疑问, 这是我所遇到的最杰出的一个 3. 接过大师的火炬 1854 年, 麦克斯韦毕业后不久, 就读到了法拉第的名著 电学实验研究 法拉第在这书中, 把他数十年研究电磁现象的心得归结为 力线 的概念 法拉第做了一个构思精细 设计巧妙的实验 : 把铁粉撒在磁铁周围, 铁粉就呈现出有规则的曲线, 从一磁极到另一磁极, 连续不断 法拉第把这种曲线称为力线, 他还进一步用实验证明, 这种力线具有物理性质 他把布满磁力线的空间称为磁场, 而磁力就是通过连续磁场传递的 麦克斯韦完全被书中的实验和新颖的见解吸引住了 法拉第的著作, 把他带到一个崭新的知识领域, 使他无比神往 一年之后,24 岁的麦克斯韦发表了 法拉第的力线, 这是他第一篇关于电磁学的论文 在论文中, 麦克斯韦通过数学方法, 把电流周围存在磁力线这一特征, 概括为一个数学方程 这一年, 恰好法拉第结束了长达 30 多年的电学研究, 在科学笔记上写下了最后的一页 麦克斯韦接过了这位伟大先驱手中的火炬, 开始向电磁领域的纵深挺进 四年后, 在一个晴朗的春天, 麦克斯韦特意去拜访法拉第 他们虽然通信几年了, 还没有见过面 这是一次难忘的会晤 两人一见如故, 亲切交谈起来 阳光照耀着这两位伟人 他们不仅在年龄上相隔四十年, 在性情 爱好 特长等方面也颇不相同, 可是他们对物质世界的看法却产生了共鸣 这真是奇妙的结合 : 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 麦克斯韦不善于说话, 法拉第演讲起来娓娓动听 两人的科学方法也恰好相反 : 法拉第专于实验探索, 麦克斯韦擅长理论概括 在谈话中, 法拉第提到了麦克斯韦四年前的论文 法拉第的力线 当麦克斯韦征求他的看法时, 法拉第说 : 我不认为自己的学说一定是真理, 但你是真正理解它的人

29 先生能给我指出论文的缺点吗? 麦克斯韦谦虚地说 这是一篇出色的文章, 法拉第想了想说, 可是你不应停留于用数学来解释我的观点, 而应该突破它 突破它! 法拉第的话大大地鼓舞了麦克斯韦, 他立即以更大的热忱投入了新的战斗, 要把法拉第的研究向前推进一步 麦克斯韦在紧张的研究中, 两年的时光过去了 这是努力探求的两年, 也是丰收的两年 1862 年, 麦克斯韦在英国 哲学杂志 上, 发表了第二篇电磁论文 论物理的力线 文章一登出来, 立即引起了强烈的反响 这是一篇划时代的论文, 它与七年前麦克斯韦的第一篇电磁论文相比, 有了质的飞跃 因为 论物理的力线, 不再是法拉第观点单纯的数学解释, 而是有了创造性的引伸和发展 麦克斯韦从理论上引出了位移电流的概念, 这是电磁学上继法拉第电磁感应提出后的一项重大突破 麦克斯韦并未到此为止 他再一次发挥自己的数学才能, 由这一科学假设出发, 推导出两个高度抽象的微分方程式, 这就是著名的麦克斯韦方程式 这组方程不仅圆满地解释了法拉第电磁感应现象, 还作了推广 : 凡是有磁场变化的地方, 周围不管是导体或者介质, 都有感应电场存在 方程还证明了, 不仅变化的磁场产生电场, 而且变化的电场也产生磁场 经过麦克斯韦创造性的总结, 电磁现象的规律, 终于被他用明确的数学形式揭示出来 电磁学到此才开始成为一种科学的理论 在自然科学史上, 只有当某一科学达到了成熟阶段, 才可能用数学表示成定律形式 这些定律不仅能解释已知的现象, 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预见了海王星一样, 麦克斯韦的方程式预见了电磁波的存在 因为, 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 麦克斯韦作出这一预见时, 年仅 31 岁 这是麦克斯韦一生中最辉煌的一年 麦克斯韦继续向电磁领域的深度进军 1865 年, 他发表了第三篇电磁学论文 在这篇重要文献中, 麦克斯韦方程的形式更完备了 他并且采用一种新的数学方法, 由方程组直接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! 这与麦克斯韦四年前用实验推算出的结论完全一致 至此, 电磁波的存在是确信无疑了! 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, 但是它充满在整个空间 光也是一种电磁波, 只不过它可以被人看见而已

30 麦克斯韦的预言, 震动了整个物理界, 麦克斯韦 电磁学通论 的出版, 成了当时物理学界的一件大事, 第一版几天内就销售一空 4. 教授与爱犬麦克斯韦教授每天都到剑桥大学的卡文迪许物理实验室去 他巡视每个人的工作, 但在任何地方都不过多地停留 有时他沉缅于自己的思考之中, 竟然连学生向他提出的问题都听不见 因此, 当第二天教授走到某个学生身旁对他说话时, 这个学生会感到出乎意外的愉快 哦, 昨天是您向我提出了一个问题, 我考虑过了, 可以告诉您 教授的回答自然是全面而详尽的, 这里无须再加说明 麦克斯韦一向尽力使他的学生们相信, 他只是向他们提出建议, 而不想让他们把他的话当作是教训, 仅仅是建议而已 为使巡视实验室的工作尽量显得随便 自然, 他到哪儿去的时候几乎总带着一条小狗, 狗的名字叫托比, 是他从格林列依带来的 假如散步不带着狗, 我就觉得自己很糊涂 麦克斯韦总喜欢重复这句话 托比在实验室里表现很好, 当离它不远的地方由于放电而 拍 拍 作响时, 它就发怒地叫起来, 显出一副惊恐不安的样子, 直到主人抚摸它后, 才安静下来 它能满足主人的一切要求, 即使把电极触在它颈上也可以, 这时托比悄悄地叫几声, 不过是装装样子而已 有人在亨利 卡文迪许的记事簿上发现有这样的记载 : 狗毛磨擦放电要大于猫毛磨擦放电 托比在实验室似乎应该为狗的同类捍卫这种荣誉 通常将托比安置在一个专门的坐垫上, 之后, 人们就用毛皮来磨擦 出于对主人的恭顺, 托比忍耐着, 而心里多半指望这一切能够早点结束 活狗比死狮子强! 有一次麦克斯韦说道, 并停止在爱犬身上做实验 当然只是在卡文迪许的实验被证实以后, 他才这样说 唯有托比享有特殊优待, 当主人做实验时, 它可以一直呆在实验室里 麦克斯韦时常由于醉心于工作而忘掉了世界上的一切 工作时他总喜欢吹口哨, 沉思时不由自主地把手伸向托比卧着的地方, 抚摸着爱犬, 一边还用低沉的嗓音说着 : 托比 托比 托比

31 赫兹 ( 英文 :Hertz,1857 年 02 月 22 日 1894 年 01 月 01 日 ) 是计算频率的单位, 属于公制的一种, 意为每秒的周期性震动次数 其命名取自德国物理学家海因里希 鲁道夫 赫兹 其符号是 Hz 赫兹, 德国物理学家, 生于汉堡 早在少年时代就被光学和力学实验所吸引 十九岁入德累斯顿工学院学工程, 由于对自然科学的爱好, 次年转入柏林大学, 在物理学教授亥姆霍兹指导下学习 1885 年任卡尔鲁厄大学物理学教授 1889 年, 接替克劳修斯担任波恩大学物理学教授, 直到逝世 赫兹对人类最伟大的贡献是用实验证实了电磁波的存在 赫兹在柏林大学随赫尔姆霍兹学物理时, 受赫尔姆霍兹之鼓励研究麦克斯韦电磁理论, 当时德国物理界深信韦伯的电力与磁力可瞬时传送的理论 因此赫兹就决定以实验来证实韦伯与麦克斯韦理论谁的正确 依照麦克斯韦理论, 电扰动能辐射电磁波 赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理, 设计了一套电磁波发生器, 赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上 当感应线圈的电流突然中断时, 其感应高电压使电火花隙之间产生火花 瞬间后, 电荷便经由电火花隙在锌板间振荡, 频率高达数百万周 由麦克斯韦理论, 此火花应产生电磁波, 于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波 他将一小段导线弯成圆形, 线的两端点间留有小电火花隙 因电磁波应在此小线圈上产生感应电压, 而使电火花隙产生火花 所以他坐在一暗室内, 检波器距振荡器 10 米远, 结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生 赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌

32 板, 入射波与反射波重叠应产生驻波, 他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实 赫兹先求出振荡器的频率, 又以检波器量得驻波的波长, 二者乘积即电磁波的传播速度 正如麦克斯韦预测的一样 电磁波传播的速度等于光速 1888 年, 赫兹的实验成功了, 而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩 赫兹在实验时曾指出, 电磁波可以被反射 折射和如同可见光 热波一样的被偏振 由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波, 其电场平行于振荡器的导线, 而磁场垂直于电场, 且两者均垂直传播方向 1889 年在一次著名的演说中, 赫兹明确的指出, 光是一种电磁现象 第一次以电磁波传递讯息是 1896 年意大利的马可尼开始的 1901 年, 马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国 20 世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展 赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论, 更为无线电 电视和雷达的发展找到了途径 1887 年 11 月 5 日, 赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为 论在绝缘体中电过程引起的感应现象 的论文中, 总结了这个重要发现 接着, 赫兹还通过实验确认了电磁波是横波, 具有与光类似的特性, 如反射 折射 衍射等, 并且实验了两列电磁波的干涉, 同时证实了在直线传播时, 电磁波的传播速度与光速相同, 从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性 并且进一步完善了麦克斯韦方程组, 使它更加优美 对称, 得出了麦克斯韦方程组的现代形式 此外, 赫兹又做了一系列实验 他研究了紫外光对火花放电的影响, 发现了光电效应, 即在光的照射下物体会释放出电子的现象 这一发现, 后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础 1888 年 1 月, 赫兹将这些成果总结在 论动电效应的传播速度 一文中 赫兹实验公布后, 轰动了全世界的科学界 由法拉第开创, 麦克斯韦总结的电磁理论, 至此才取得决定性的胜利 1888 年, 成了近代科学史上的一座里程碑 赫兹的发现具有划时代的意义, 它不仅证实了麦克斯韦发现的真理, 更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元 赫兹对人类文明作出了很大贡献, 正当人们对他寄以更大期望时, 他却于 1894 年元旦因血中毒逝世, 年仅 36 岁 为了纪念他的功绩, 人们用他的名字来命名各种波动频率的单位, 简称 赫

33 C.F. Gauss 高斯是德国著名数学家 物理学家 天文学家 大地测量学家 他有数学王子的美誉, 并被誉为历史上伟大的数学家之一, 和阿基米德 牛顿 欧拉同享盛名 1. 人物介绍物理学家 数学家卡尔 弗里德里希 高斯高斯 (Johann Carl Friedrich Gauss)( 1777 年 4 月 30 日 1855 年 2 月 23 日 ), 生于不伦瑞克, 卒于哥廷根, 德国著名数学家 物理学家 天文学家 大地测量学家 高斯 1777 年 4 月 30 日生于不伦瑞克的一个工匠家庭,1855 年 2 月 23 日卒于哥廷根 幼时家境贫困, 但聪敏异常, 受一贵族资助才进学校受教育 1795~1798 年在格丁根大学学习 1798 年转入黑尔姆施泰特大学, 翌年因证明代数基本定理获博士学位 从 1807 年起担任格丁根大学教授兼格丁根天文台台长直至逝世 高斯的成就遍及数学的各个领域, 在数论 非欧几何 微分几何 超几何级数 复变函数论以及椭圆函数论等方面均有开创性贡献 他十分注重数学的应用, 并且在对天文学 大地测量学和磁学的研究中也偏重于用数学方法进行研究 1792 年,15 岁的高斯进入 Braunschweig 学院 在那里, 高斯开始对高等数学作研究 独立发现了二项式定理的一般形式 数论上的 二次互反律 (Law of Quadratic Reciprocity) 质数分布定理 (prime numer theorem) 及 算术几何平均 (arithmetic-geometric mean) 1795 年高斯进入哥廷根大学 1796 年,19 岁的高斯得到了一个数学史上极重要的结果, 就是 正十七边形尺规作图之理论与方法 5 年以后, 高斯又证明了形如 "Fermat 素数 " 边数的正多边形可以由尺规作出 1855 年 2 月 23 日清晨, 高斯于睡梦中去世 2. 生平

34 高斯是一对普通夫妇的儿子 他的母亲是一个贫穷石匠的女儿, 虽然十分聪明, 但却没有接受过教育, 近似于文盲 在她成为高斯父亲的第二个妻子之前, 她从事女佣工作 他的父亲曾做过园丁, 工头, 商人的助手和一个小保险公司的评估师 当高斯三岁时便能够纠正他父亲的借债账目的事情, 已经成为一个轶事流传至今 他曾说, 他在麦仙翁堆上学会计算 能够在头脑中进行复杂的计算, 是上帝赐予他一生的天赋 高斯用很短的时间计算出了小学老师布置的任务 : 对自然数从 1 到 100 的求和 他所使用的方法是 : 对 50 对构造成和 101 的数列求和为 (1+100,2+99,3 +98 ), 同时得到结果 :5050 这一年, 高斯 9 岁 当高斯 12 岁时, 已经开始怀疑元素几何学中的基础证明 当他 16 岁时, 预测在欧氏几何之外必然会产生一门完全不同的几何学 他导出了二项式定理的一般形式, 将其成功的运用在无穷级数, 并发展了数学分析的理论 高斯的老师 Bruettner 与他助手 Martin Bartels 很早就认识到了高斯在数学上异乎寻常的天赋, 同时 Herzog Carl Wilhelm Ferdinand von Braunschweig 也对这个天才儿童留下了深刻印象 于是他们从高斯 14 岁起, 便资助其学习与生活 这也使高斯能够在公元 年在 Carolinum 学院 ( 今天 Braunschweig 学院的前身 ) 学习 18 岁时, 高斯转入哥廷根大学学习 在他 19 岁时, 第一个成功的用尺规构造出了规则的 17 角形 高斯于公元 1805 年 10 月 5 日与来自 Braunschweig 的 Johanna Elisabeth Rosina Osthoff 小姐 ( ) 结婚 在公元 1806 年 8 月 21 日迎来了他生命中的第一个孩子约瑟 此后, 他又有两个孩子 Wilhelmine( ) 和 Louis( ) 1807 年高斯成为哥廷根大学的教授和当地天文台的台长 虽然高斯作为一个数学家而闻名于世, 但这并不意味着他热爱教书 尽管如此, 他越来越多的学生成为有影响的数学家, 如后来闻名于世的 Richard Dedekind 和黎曼, 黎曼创立了黎曼几何学 高斯墓地 : 高斯非常信教且保守 他的父亲死于 1808 年 4 月 14 日, 晚些时候的 1809 年 10 月 11 日, 他的第一位妻子 Johanna 也离开人世 次年 8 月 4 日高斯迎娶第二位妻子 Friederica Wilhelmine ( ) 他们又有三个孩子 :Eugen ( ), Wilhelm ( ) 和 Therese ( ) 1831 年 9 月 12 日他的第二位妻子也死去,1837 年高斯开始学习俄语 1839 年 4 月 18 日, 他的母亲在哥廷根逝世, 享年 95 岁 高斯于 1855 年 2 月 23 日凌晨 1 点在哥廷根去世 他的很多散布在给朋友的书信或笔记中的发现于 1898 年被发现 3. 贡献

35 18 岁的高斯发现了质数分布定理和最小二乘法 通过对足够多的测量数据的处理后, 可以得到一个新的 概率性质的测量结果 在这些基础之上, 高斯随后专注于曲面与曲线的计算, 并成功得到高斯钟形曲线 ( 正态分布曲线 ) 其函数被命名为标准正态分布 ( 或高斯分布 ), 并在概率计算中大量使用 在高斯 19 岁时, 仅用没有刻度的尺子与圆规便构造出了正 17 边形 ( 阿基米德与牛顿均未画出 ) 并为流传了 2000 年的欧氏几何提供了自古希腊时代以来的第一次重要补充 高斯在计算的谷神星轨迹时总结了复数的应用, 并且严格证明了每一个 n 阶的代数方程必有 n 个复数解 在他的第一本著名的著作 数论 中, 作出了二次互反律的证明, 成为数论继续发展的重要基础 在这部著作的第一章, 导出了三角形全等定理的概念 高斯在他的建立在最小二乘法基础上的测量平差理论的帮助下, 结算出天体的运行轨迹 并用这种方法, 发现了谷神星的运行轨迹 谷神星于 1801 年由意大利天文学家皮亚齐发现, 但他因病耽误了观测, 失去了这颗小行星的轨迹 皮亚齐以希腊神话中 丰收女神 (Ceres) 来命名它, 即谷神星 (Planetoiden Ceres), 并将以前观测的位置发表出来, 希望全球的天文学家一起寻找 高斯通过以前的三次观测数据, 计算出了谷神星的运行轨迹 奥地利天文学家 Heinrich Olbers 在高斯的计算出的轨道上成功发现了这颗小行星 从此高斯名扬天下 高斯将这种方法著述在著作 天体运动论 (Theoria Motus Corporum Coelestium in sectionibus conicis solem ambientium ) 中 高斯设计的汉诺威大地测量的三角网为了获知任意一年中复活节的日期, 高斯推导了复活节日期的计算公式 在 1818 年至 1826 年之间高斯主导了汉诺威公国的大地测量工作 通过他发明的以最小二乘法为基础的测量平差的方法和求解线性方程组的方法, 显著的提高了测量的精度 出于对实际应用的兴趣, 他发明了日光反射仪, 可以将光束反射至大约 450 公里外的地方 高斯后来不止一次地为原先的设计作出改进, 试制成功被广泛应用于大地测量的镜式六分仪 高斯亲自参加野外测量工作 他白天观测, 夜晚计算 五六年间, 经他亲自计算过的大地测量数据, 超过 100 万次 当高斯领导的三角测量外场观测已走上正轨后, 高斯就把主要精力转移到处理观测成果的计算上来, 并写出了近 20 篇对现代大地测量学具有重大意义的论文 在这些论文中, 推导了由椭圆面向圆球面投影时的公式, 并作出了详细证明, 这套理论在今天仍有应用价值 汉诺威公国的大地测量工作直到 1848 年才结束, 这项大地测量史上的巨大工程, 如果没有高斯在理论上的仔细推敲, 在观测上力图合理精确, 在数据处理上尽量周密细致的

36 出色表现, 就不能完成 在当时条件下布设这样大规模的大地控制网, 精确地确定 2578 个三角点的大地坐标, 可以说是一项了不起的成就 为了用椭圆在球面上的正形投影理论以解决大地测量中出现的问题, 在这段时间内高斯亦从事了曲面和投影的理论, 并成为了微分几何的重要理论基础 他独立地提出了不能证明欧氏几何的平行公设具有 物理的 必然性, 至少不能用人类的理智给出这种证明 但他的非欧几何理论并未发表 也许他是出于对同时代的人不能理解这种超常理论的担忧 相对论证明了宇宙空间实际上是非欧几何的空间 高斯的思想被近 100 年后的物理学接受了 高斯试图在汉诺威公国的大地测量中通过测量 Harz 的 Brocken--Thuringer Wald 的 Inselsberg-- 哥廷根的 Hohen Hagen 三个山头所构成的三角形的内角和, 以验证非欧几何的正确性, 但未成功 高斯的朋友鲍耶的儿子雅诺斯在 1823 年证明了非欧几何的存在, 高斯对他勇于探索的精神表示了赞扬 1840 年, 罗巴切夫斯基又用德文写了 平行线理论的几何研究 一文 这篇论文发表后, 引起了高斯的注意, 他非常重视这一论证, 积极建议哥廷根大学聘请罗巴切夫斯基为通信院士 为了能直接阅读他的著作, 从这一年开始,63 岁的高斯开始学习俄语, 并最终掌握了这门外语 最终高斯成为和微分几何的始祖 ( 高斯, 雅诺斯 罗巴切夫斯基 ) 中最重要的一人 出于对实际应用的兴趣, 高斯发明了日光反射仪 日光反射仪可以将光束反射至大约 450 公里外的地方 高斯后来不止一次地为原先的设计作出改进, 试制成功了后来被广泛应用于大地测量的镜式六分仪 19 世纪 30 年代, 高斯发明了磁强计, 辞去了天文台的工作, 而转向物理研究 他与韦伯 ( ) 在电磁学的领域共同工作 他比韦伯年长 27 岁, 以亦师亦友的身份进行合作 1833 年, 通过受电磁影响的罗盘指针, 他向韦伯发送了电报 这不仅仅是从韦伯的实验室与天文台之间的第一个电话电报系统, 也是世界首创 尽管线路才 8 千米长 1840 年他和韦伯画出了世界第一张地球磁场图, 而且定出了地球磁南极和磁北极的位置, 并于次年得到美国科学家的证实 高斯和韦伯共同设计的电报高斯研究数个领域, 但只将他思想中成熟的理论发表 他经常提醒他的同事, 该同事的结论已经被自己很早的证明, 只是因为基础理论的不完备性而没有发表 批评者说他这样是因为极爱出风头 实际上高斯只是一部疯狂的打字机, 将他的结果都记录起来 在他死后, 有 20 部这样的笔记被发现, 才证明高斯的宣称是事实 一般认为, 即使这 20 部笔记, 也不是高斯全部的笔记 下萨克森州和哥廷根大学图书馆已经将高斯的全部著作数字化并置于互联网上 高斯的肖像已经被印在从 1989 年至 2001 年流通的 10 德国马克的纸币上

37 4. 著作 1799 年 : 关于代数基本定理的博士论文 (Doktorarbeit uber den Fundamentalsatz der Algebra) 1801 年 : 算术研究 (Disquisitiones Arithmeticae) 1809 年 : 天体运动论 (Theoria Motus Corporum Coelestium in sectionibus conicis solem ambientium) 1827 年 : 曲面的一般研究 (Disquisitiones generales circa superficies curvas) 年 : 高等大地测量学理论 ( 上 ) (Untersuchungen uber Gegenstande der Hoheren Geodasie, Teil 1) 年 : 高等大地测量学理论 ( 下 ) (Untersuchungen uber Gegenstande der Hoheren Geodasie, Teil 2) 5. 物理单位高斯简称高 (Gs,G), 非国际通用的磁感应强度或磁通量的单位 为纪念德国物理学家和数学家高斯而命名 一段导线, 若放在磁感应强度均匀的磁场中, 方向与磁感应强度方向垂直的长直导在线通有 1 电磁系单位的稳恒电流时, 在每厘米长度的导线受到电磁力为 1 达因, 则该磁感应强度就定义为 1 高斯 高斯是很小的单位,10000 高斯等于 1 特斯拉 (T) 高斯是常见非法定计量单位, 特 [ 斯拉 ] 是法定计量单位