麦克斯韦电磁场理论的诞生历程

麦克斯韦电磁场理论的诞生历程

柴XX

（理学院光信息科学与技术1002班学号XXX）

摘要：1855年至1865年，麦克斯韦在全面地审视了库仑定律、毕奥—萨伐尔定律和法拉第定律的基础上，把数学分析方法带进了电磁学的研究领域，由此导致麦克斯韦电磁理论的诞生。

关键词：麦克斯韦、电磁理论、诞生

引言

电磁场理论的发展经历了三次飞跃：一是库仑定律的建立，二是运动电荷磁效应的发现，三是变化着的电场和磁场的内在联系的假设。

根据一些互不相关适用范围各不相同的实验定律（库仑定律、毕一萨定律和电磁感应定律），能否扩展为一组有内在联系的普遍成立的、能对电磁现象作出统一描述的数学理论体系，这是摆在当时物理学界的一大问题。

法拉第为此走出了坚定的第一步，紧接着麦克斯韦迈开了关键性的第二步。

一、法拉第的奠基

法拉第坚信电磁作用是一种近距作用，他为此提出的力线、场观念具有极其深奥的物理思想。描述场的力线、力管虽是一种定性理论，却为建立电磁学的数学理论提供了物理依据。场观念是物理学中一个全新的观念，一个开创性见解，是对超距作用观点的挑战，其价值要比电磁感应定律的发现高出许多倍。它暗示电磁理论和力学理论在方法论和数学结构上会有极大的差异：力学对质点的描述仅仅涉及到整个电磁场空间。从超距作用过渡到以场为基本变量，以致使电磁理论成为一个时代的场理论。

一门真正的科学理论应该是定量的。由于数学的准确性、抽象性、广泛性，早已成为物理学的亲密朋友。用数学语言精确表述创造性科学思想，深刻揭示自然规律，是科学发展的要求，也是科学成熟的重要标志。

物理学家一要善于提出反映事物本质的物理观念，二要善于将物理问题转化成为数学问题，并用恰当方法求解，三要善于透过数学结果看出隐藏其后的新的物理思想。

法拉第借用力线把场的许多性质用简单而又极富启发性地表示出来了。但终因缺乏数学功底，苦于无法用恰当的数学语言来精确描述，不能更深刻地揭示电磁现象的内在规律性。但深奥的力线、场思想都鼓舞着麦克斯韦接过法拉第的火炬继续向前跑。

二、麦克斯韦的努力与电磁场理论的诞生

麦克斯韦大学毕业不久，读到了法拉第的《电学实验研究》，就被法拉第闪光的科学思想吸引住了，决计以数学弥补其不足。麦克斯韦受过良好教育，先在爱丁堡大学攻读数学、物理，后转入剑桥大学专攻数学，成绩优异。受两位导师霍普金斯和斯托克斯的直接影响，他很重视数学和物理的结合，成为一位优秀的数学物理学家。这一点对他日后完成电磁理论是至关重要的。

法拉第和麦克斯韦两个人都是很有胆识和极富想象力的。一个是实验巨匠，长于物理直

觉；一个是理论天才，长于数学分析。两人的互补结合，翻开了物理学历史上的新的一页。这种富有成果的可贵的互补结合在物理学史上还可以找到：第谷和开普勒的结合，伽利略和牛顿的结合。

麦克斯韦对电磁理论的研究，可分为四个阶段。

（一）1855年发表论文《论法拉第力线》。他利用类比方法，把电力线、磁力线比作流线。从而可以把流体力学中的数学工具移植过来，采用通量、环流、散度、旋度等具有明确定义的量，来定量地描述抽象的电场、磁场在空间的变化情况。就这样，在麦克斯韦手中，深奥的力线、场思想神奇般地用场论这种数学语言描述出来了，为法拉第粗豪形式的物理思想作了细致的数学“翻译”，使之定量化、精确化。

1860年秋，年轻的麦克斯韦特意去拜访了老资格的法拉第，这是一次难忘的会晤。法拉第四年前曾注意到麦克斯韦《论法拉第力线》一文，也没有想到论文的作者这么年轻。当麦克斯韦请他指出论文的缺点时，法拉第说：“您不应该停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它！”这是多么宝贵的品质、崇高的人格啊！

突破和创新是科学研究的灵魂。

（二）1862年发表论文《论物理力线》。在静电场、传导电流的基础上，扩充了电场、电流概念，独到地提出了涡旋电场、位移电流两个新观点。从而改写了电磁感应定律，修正了磁场环路定理，在电磁理论研究上取得了关键性的突破。

变化的磁场激发电场，变化的电场激发磁场，如此交替激发下去，交变的电磁场就会以波的形式向空间散布开去。麦克斯韦预感到有电磁波的存在。

（三）1864年宣读，1865年正式发表论文《电磁场的动力学理论》。文中没有具体地设想和仔细地描述电磁作用的机制，而是直接根据电磁学实验和普遍原理，给出了电磁场的普遍方程组——麦克斯韦方程组。由方程组得到了电磁波动方程和波在真空中的传播速度为光速C，从而寓言了电磁波的存在，并指出光是一种电磁波。

（四）1873年版专著《电磁学通论》。对电磁学研做了系统的总结，其意义与牛顿的《自然哲学的数学原理》（1687年）和达尔文的《物种起源》（1859年）相比拟。

由于麦克斯韦电磁场理论显得艰深难懂，另一方面，也是更主要的是电磁波没有得到实验证实，造成电磁场理论问世后，在相当的时间里未能得到承认。最初只有剑桥大学的一些青年物理学家支持它，许多人，包括一批很有威望的老科学家，对未经证明的新理论都抱着观望的态度。尽管电磁场理论具有内在的完美性并和一切经验相符合。但它的思想太不平常了，甚至像赫姆霍兹和玻尔兹曼这样异常才能的人，为了理解它也花了几年的力气。

麦克斯韦生活的后期充满了烦恼。他的学说得不到理解，妻子又久病不愈，讲座和实验室工作还得继续进行。过分的焦虑和劳累，过早地夺去了他的生命，1879年11月5日逝世时年仅49岁。九年后，赫兹实验的成功震动了物理学界，才使电磁场理论取得了决定性的胜利，终于为人们普遍接受。十分遗憾的是，麦克斯韦不能亲眼目睹这一壮观景象，享受那醉心甜蜜的欢乐。

电磁理论是一座雄伟壮丽的大厦。法拉第给它打下了坚实的地基，麦克斯韦在上面建造了高楼，赫兹让这座大厦注满了人。法拉第——麦克斯韦——赫兹的名字，永远和电磁理论连在一起，光照人间!

[参考文献]

[1].陈熙谍等,《Maxwell电磁理论的建立和它的启迪》,大学物理,第10，11期，1986

[2].徐在新，密子宏,《从法拉第到麦克斯韦》,科学出版社,1986