麦克斯韦：谱写了上帝诗篇的隐士

在现代科学史上，有一位杰出的物理学家，他的成就可以与牛顿和爱因斯坦相比，但他的名字并不广为人知。

在被忽视了近一个世纪后，1999年底，当新的千年即将到来时，英国杂志《物理世界》评选出“有史以来最伟大的10位物理学家”，他名列第三(前两位是爱因斯坦和牛顿)。与此同时，英国广播公司(BBC)在网上评选出了“1000年来最伟大的10位思想家”。来自世界各地的所有人都可以投票。最终评选结果揭晓，他名列第九。

这位伟大的物理学家和思想家留着长胡子，表情严肃，眼睛明亮。他一生只活了48岁，但他在许多科学领域做出了巨大贡献，如电磁学、光学、分子物理学、天文学等。其中，他影响最深远:他从理论上总结了人类对电磁现象的理解，揭示了电磁学的奥秘，天才地预言了电磁波，为无线电的诞生和发展开辟了道路。我们今天生活在无线电波的世界里。电视、无线电、无线电通信、导航、遥控、遥测、雷达等现代新技术都是通过电磁波传输信息来实现的。然而，在这位科学家生活的时代，人们不知道电磁波的存在，也不相信他的预测和理论。他一生都不被人理解:他的衣服在高中时不被他的同伴理解。在大学里，听众听不懂他的话。最后，他的理论很长时间都不为人所知。他一生的荣誉远不如法拉第。直到赫兹死后许多年证明电磁波的存在，人们才意识到并承认他是“自牛顿以来世界上最伟大的数学物理学家”。

这位科学巨人是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，被称为“无线电波之父”。麦克斯韦在揭示电磁波奥秘方面的伟大发现可以被看作是上帝写的一首诗。

詹姆斯·麦克斯韦(网络图)

麦克斯韦，23岁，1854年毕业于剑桥大学。这时，法拉第的名著《电学实验研究》出版了。这是法拉第对他毕生电磁学研究的总结，非常有价值。马克斯韦尔拿着这本精装巨著，忍不住了。他立即被书中的实验和新奇想法吸引住了。这本书把麦克斯韦带到了一个新的领域，并使他着迷。正是这位大师经过10年的探索，发现了著名的电磁感应现象，证明了不仅电可以变成磁，而且磁也可以变成电，从而揭示了电和磁密不可分。

麦克斯韦读了《电学实验研究》，对法拉第的理论印象深刻。然而，读完这部巨著后，有一个事实引起了他的注意:在厚厚的三卷本《电学实验研究》中，他找不到数学公式。这是为什么？

作为一名理论物理学家，麦克斯韦非常清楚物理与数学是不可分割的。牛顿力学定律和天文学中的三大行星定律都是以公式的形式总结出来的。法拉第的电磁理论没有公式，这引起了他的思考。

麦克斯韦不仅尊重他的前辈的成就，而且从不迷信任何权威，包括他所崇敬的法拉第。当他还是个孩子的时候，他的父亲曾经对他说，“牛顿是可以被怀疑的”，这是一句他一直记得的格言。麦克斯韦开始从不足的方面分析法拉第的作品。他意识到缺乏高度的数学概括可能是大师的缺点。

麦克斯韦写信给威廉·汤姆森教授征求意见。汤姆森回信告诉麦克斯韦，法拉第的理论是革命性的，包含了人们没有发现的真理。然而，法拉第是一位自学成才的科学家，他有许多突出的优点，但他的数学素养很差，所以他的理论仍然缺乏理论的严密性，这就是为什么在整个辉煌的“电学实验研究”中找不到数学公式的原因。汤姆森还说，正是因为这个原因，普通的理论物理学家不承认法拉第的理论，甚至连一流的英国学者也有不同的意见。

法拉第(网络图)

汤姆森的信像一盏明灯，照亮了麦克斯韦的心。这位年轻的科学家决定放弃他的数学能力来弥补法拉第定性表达的弱点。他做了一个黑暗的决定，从理论的高度粉碎那些愚蠢的偏见。

一年后，24岁的麦克斯韦发表了他的第一篇电磁学论文《法拉第力线》。电磁学领域出现了一颗新星！人们惊奇地看着它耀眼的光辉。在本文中，麦克斯韦通过数学方法成功地将法拉第关于电流周围磁力线的思想推广到一个数学方程中。法拉第的理论第一次有了定量的表述。

麦克斯韦沿着这个方向走得更远。七年后，他在《英国哲学杂志》上发表了他的第二篇电磁论文《物理学的力线》。在这篇里程碑式的论文中，麦克斯韦根据他设计的理论模型推导出了两个非常精确的数学公式。这是两个高度抽象的微分方程，只有几个数学符号。它们看起来很简单，但是它们的含义非常复杂和深刻。它不仅令人满意地解释了法拉第的电磁感应实验，而且还解释了迄今为止发现的所有与电和磁有关的现象。麦克斯韦进一步思考并发现，这两个微分方程实际上揭示了电磁定律的两个方面:一是电场随时间的变化会引起磁场；第二，磁场随时间的变化会产生电场。这两者总是紧密相连，互为因果。因此，麦克斯韦在《物理学的力线》中大胆地预言，当这种交变电磁场传播到太空时，它将形成当时人们不知道的电磁波。

麦克斯韦方程(网络图)

1865年，麦克斯韦完成了他的第三篇电磁论文《电磁场动力学》。麦克斯韦从他的电磁方程中导出了一个新方程。他发现这个新方程是波动方程！麦克斯韦抑制住自己的兴奋，立即根据波动方程的参数计算出波的传播速度。计算的结果令他震惊:它完全等于光速！

在这一点上，电磁波的存在是肯定的！光也是电磁波。

1873年，麦克斯韦杰出的代表作《电磁学通论》出版。它系统地总结了奥斯特、安培、法拉第等在电学和磁学方面的研究成果，并在此基础上对整个电磁现象进行了系统而全面的总结，以简洁、对称、完美的数学形式表达了电磁场理论。这就是麦克斯韦方程组，它已经成为经典电动力学的主要基础:有人称麦克斯韦方程组为物理史上最美丽的方程组。世界上有这么多复杂的电磁现象，但没有一个能逃脱这个方程组的约束。正如牛顿的三定律总结了天地万物的宏观运动现象一样，这套简短的方程可以用来描述所有的电磁现象。此外，麦克斯韦方程具有极好的对称性。波尔兹曼是对的。这的确是“上帝的诗”。

杨振宁还称赞说:“牛顿的运动方程、麦克斯韦方程、爱因斯坦的狭义和广义相对论方程已经达到了科学研究的最高水平。他们用极其简洁的数学语言写出了物理世界的基本结构。它们可以说是创作者的诗歌。”

注:其中e是电场，h是磁场；e表示变化的电场，h表示变化的磁场。