光是看得见的电磁波，电磁波是看不见的光。
———麦克斯韦
在英国科学期刊《物理世界》举办的读者评选“最伟大的公式”的活动中，麦克斯韦方程组（右图所示的即麦克斯韦和他的伟大方程组）战胜了著名的爱因斯坦质能方程、牛顿第二定律和数学中最为奇妙的欧拉公式荣登榜首。
弥漫在空间的电磁场，一种与“实物粒子”相对的客观存在的特殊物质，其自身的变化规律、其与“实物粒子”间相互作用的规律的首要的发现者，是麦克斯韦。在麦克斯韦之前，人类的世界是由“粒子”构成的；在麦克斯韦之后，“场”无处不在。
是麦克斯韦，从根本上改变了我们对这个世界的认识；
是麦克斯韦，从根本上改变了我们的生活。
面对麦克斯韦的电磁场理论，奥地利十九世纪末著名物理学家、统计力学奠基人玻尔兹曼曾发出这样的感慨：“这难道是上帝亲手写下的诗歌吗？”50多年前，美国著名物理学家费恩曼在给加利福利亚理工学院的大学一二年级的学生讲授电磁学时曾深有感慨地说：“从人类历史的长远观点来看，例如过一万年之后回头来看，毫无疑问，在19世纪中发生的最有意义的事件就是麦克斯韦发现电磁学规律。与这一重大的科学事件相比，同一个十年内的美国内战都会黯然退至为一个地区性的琐事。”在谈到麦克斯韦对物理学的贡献时，爱因斯坦说：“在麦克斯韦以前，物理实在是由质点来描述的，质点的运动完全服从常微分方程。在麦克斯韦之后，人们认为物理实在是由连续的场来表示，它们服从偏微分方程，不能对它们进行机械的解释。这一关于物理实在概念的变革，是自牛顿以来物理学家所感受到的最深刻、最富有成果的进展。”
很多学过高中与大学物理的人都会有这样的感受：在牛顿力学中，人们关注的主要问题大致可以分为两类，一类是已知运动求力，另一类是已知力求运动。例如，若已知一抛出去的石块在离手的那一瞬间的位置和速度，则在忽略空气阻力作用的前提下，可由牛顿力学根据石块在空中只受重力的作用而确定它在空中飞行的任一瞬间的位置和速度。再如，根据观测获得的行星绕日运动的规律，可以推测出太阳对行星所施加的引力与二者间距离的关系。在电磁学中，人们所关注的问题则主要是场以及场与带电粒子间的关系。例如，根据空间中电荷电流的分布情况去计算空间各点的电场强度和磁感应强度；反过来，根据空间各点的电场强度和磁感应强度去计算空间中电荷电流的分布情况。这里的电场强度、磁感应强度、电荷电流分布等均是可随时间而改变的。事实上，一方面，正是它们变化的结果宣告了麦克斯韦的电磁场理论对超距作用的最终的胜利；另一方面，也正是它们的各种变化开辟出了电磁学理论在实际中的那些令人难以置信的广泛应用。
虽然牛顿本人认为超距作用是不可思议的，但牛顿力学在其后继者的手中很快就成为了超距作用的“杰出典范”。例如，通过与牛顿发现的万有引力定律类比而发现了两个静止点电荷间的相互作用规律的著名物理学家库仑就认为，两个点电荷间的相互作用是瞬时发生的，不需要通过任何媒介。
然而法拉第却认为，两个点电荷间的相互作用是通过电力线发生的。在实验的基础上，法拉第甚至还推测出与有源头的电力线不同，磁力线只是穿过磁铁而不会终止于磁铁。既然电磁相互作用不是直接发生的，那么电效应与磁效应也就都不应当是瞬时的，它们都应当是需要一段时间才能产生相互作用的。虽然法拉第的直觉与牛顿的想法暗合，但只有形象的描述，没有具体的公式，这些力线也就给不出能够加以检测的明确的定量的预言。没有这样的预言，这些力线的命运也将必定会像笛卡尔为解释行星运动而引入的“漩涡”一样，被人抛弃。
关键时刻，一个名叫麦克斯韦的人挺身而出。
1831年6月13日，麦克斯韦出生在苏格兰爱丁堡的一个有地产的富裕人家。两个半月后，还在摇篮之中的麦克斯韦就迎来了法拉第的伟大发现——电磁感应现象。与自学成才的法拉第形成鲜明对比的是，麦克斯韦的成才之路可谓一帆风顺。虽然他的母亲在他8岁时不幸去逝，但父亲和姨妈的关爱很快就抚平了他的悲伤。10岁大时，父亲送他进了著名的爱丁堡公学。不满15岁时，他就在爱丁堡皇家学院发表了一篇数学论文。16岁，进入爱丁堡大学。19岁，进入剑桥大学。在他成长的道路上，名校、名师、名友一路伴他前行。剑桥大学毕业后，他留校任职。在任职期间，他开始阅读法拉第的《电学实验研究》。没多久，他就被法拉第的“力线”迷住了。与牛顿和法拉第一样，他认定超距作用不会是终极真理，他觉得终极真理应当就在法拉第的“力线”之中。他暗暗地下定决心，要将法拉第用“力线”生动形象表述的电磁现象转化为用数学语言描述的电磁规律。
1855年，站在师兄开尔文勋爵肩上的年仅24岁的麦克斯韦，通过与不可压缩的流体类比，完成并发表了他的第一篇电磁学论文《论法拉第的力线》。同一年，64岁的法拉第决定结束长达40余年的电学研究。三十多年后，当人们再次回望这段历史时才意识到，虽然法拉第和麦克斯韦这两位巨人的第一次见面还要等到1860年，但1855年的这一巧合其实就已向地球人宣告，早在1855年，电磁学研究的火炬就已从法拉第的手中传递到了麦克斯韦的手中。
1862年，麦克斯韦发表了他的第2篇电磁学论文《论物理学的力线》。在这篇论文中，麦克斯韦旗帜鲜明地反对超距作用。他写道：“我们不满意由假设存在方向指向磁极的吸引或排斥（超距作用）力的解释，即使这种解释与实验现象完全符合；我们不得不思考在任何发现这些力线的地方都应有某种物理状态或作用，能以足够的能量产生实际的现象。”（注：本节中引用的麦克斯韦的原话基本上摘自《物理》2015年12期“麦克斯韦方程组的建立及其作用”一文，在此特别鸣谢）麦克斯韦设想空间充满了可以旋转的质量很小又有一定弹性的小球，它们被像钢珠轴承一样的更小的粒子分开。任何一个小球的变化都会引起其它小球的变化。利用这一个精妙的机械模型，麦克斯韦居然导出了一系列的电磁学方程。在这篇文章中，他不仅预言了电磁波的存在，而且明确指出：“我们实在难以避开的结论是：光是产生电磁现象的同一介质中的横波。”
这篇文章一发表就引起了轰动。一位18岁的年轻读者异常激动，居然兴奋得把这一篇非常长的论文全部抄了下来，他就是电子的发现者、英国著名物理学家汤姆逊。说来也巧，汤姆逊发现电子所用的基本工具就是电磁场。通过测量“阴极射线”在电磁场中的偏转角度，汤姆逊不仅测量出了“阴极射线”的荷质比，而且还由此推测出所谓的“阴极射线”其实是一群运动非常快的带负电的质量特别小的粒子。通过观测不同材料发射出的“阴极射线”并结合其它方面的一系列数据，汤姆逊最终确认各种原子中都含有那种带负电的质量特别小的粒子。这种粒子后来被命名为电子。1906年，汤姆逊因发现电子而荣获诺贝尔物理学奖。更为奇巧的是，31年后，汤姆逊的儿子因用实验证实了电子这一人们一直认为是粒子的小东西，居然还具有波的特性而荣获1937年诺贝尔物理学奖。
电子的发现是人类历史上的一项划时代的重要成就，不仅因为这一发现破除了千百年来原子是不可分的谬误，而且更为重要的是这一发现拉开了人类探索原子结构的序幕。后来，汤姆逊的学生、英籍新西兰人卢瑟福，在α粒子散射实验的基础上推测出原子是由几乎集中了原子全部质量的体积很小的带正电的原子核和核外电子组成的。然而，按照麦克斯韦的电磁学理论，绕核运动的电子最终不仅会因不停地发射电磁波而坠入原子核之中，而且它所发出的电磁波的波谱也将会与我们观测到的稀薄气体的发光光谱大不相同。为了解释原子核式结构的稳定性和原子光谱，人们最终发现支配原子运动变化的基本规律——量子力学。
在科学中，一篇论文、一个理论所引发的问题有时甚至会比它所解决的问题还要重要。因为它所解决的问题往往仅仅是一个已知领域的问题，而它所引发的问题则有可能为人类打开了一个广阔的未知领域。单单从理论上看，麦克斯韦方程组的重要性，不仅仅在于它完成了电、磁、光的伟大综合，而且更在于它在引发了现代物理学的两大基石——相对论和量子力学之后，又还进一步地引发了现在还在进一步发展完善的统一场论。在统一场论的研究之中，麦克斯韦的电磁场理论是最基本的同时也是最重要的模板。
1864年10月，麦克斯韦在英国皇家学会宣讲了他的第三篇电磁学论文《电磁场的动力学》。从论文的标题即可看出，麦克斯韦在此已不再谈什么“力线”了，他的关注点已转移到“场”。事实上，在麦克斯韦之后，人们就不再像法拉第那样将“力线”看作是客观实在了。在今天的人们看来，“力线”只是为了形象地描述电磁场而引入的一组“假想曲线”，“场”才是客观存在的物质。
麦克斯韦在文中指出，“提出的理论可称为电磁场理论，因为它必须考虑带电体或磁体周围附近的空间；也可称为动力学理论，因为该空间有某种运动的物质，可观察到的电磁现象是由它产生的。”在麦克斯韦看来，电磁场是“一种弥漫介质，具有很小的密度，可处于运动状态，以很大但有限的速度将某部分的运动传到其他部分。介质的各个部分相互联系在一起，以至于某部分的运动都依赖于其它部分的运动状态；这种联系具有某种弹性，因为它需要时间，并不是瞬时发生的。”“这种介质能接受和储存两种能量，即依赖于各部分运动的‘实际'能量（动能）和克服弹力所做的功构成的‘潜在'能量（势能）。能量从一种形式到另一种形式的相互转换构成了波，介质的动能和势能在任何时刻都各占一半。”
令人感到惊奇的是，麦克斯韦在用这种弥漫的介质（他将它称为“以太”）取代了他两年前设想的旋转粒子后，并没有进一步地去讨论此种介质的物理性质，而是利用变分法等数学工具魔幻般地变出了完整地描述电磁现象的20个方程。因为过于魔幻，所以连亥姆霍兹、玻尔兹曼这样的顶尖物理学家一时半刻都没怎么弄明白——据他们的晚辈、德国著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者劳厄的说法，这两位物理学史上的牛人都是花了数年的时间才弄明白麦克斯韦的电磁场理论。
提到劳厄，编者不得不为他点赞两句。劳厄是爱因斯坦的好朋友，为人正直敢言。他在纳粹上台后的英勇表现，令悲愤（也许用悲哀一词更为妥帖）的爱因斯坦感到无比温暖。据德国著名科学家埃瓦德回忆，在二战时期，流亡在外的他曾到普林斯顿拜访爱因斯坦。离别时，爱因斯坦嘱咐他：“请问候劳厄。”当埃瓦德本能似的提出是否也问候普朗克和索末菲时，爱因斯坦立刻肯定地重复道：“请问候劳厄。”虽然德国物理学领袖普朗克对爱因斯坦有知遇之恩（没有普朗克，爱因斯坦的相对论不会那么快就被认可。也正是爱才的普朗克，将还没什么名气的爱因斯坦高薪聘请到德国。），爱因斯坦的经典之作《探索的动机》就是他在1918年4月献给六十大寿的普朗克的生日礼物，但在爱因斯坦看来，从纳粹上台之后的表现来看，在他所熟知的德国著名学者之中，只有劳厄是高贵的。据说，正是因为有劳厄这样正直的朋友，爱因斯坦才深有感触地说出了那句注定会传诵千古的歌颂友情的名言：“世间最美好的东西，莫过于有几个头脑和心地都很正直的朋友。”劳厄曾写过一本非常有特点的《物理学史》，有兴趣的读者最好找一本读一读。读大师写的《物理学史》，不仅可以领略一下大师眼中的物理学，而且可以切身感受一下大师透过文字散发出来的强大的“气场”。消遣之余还能有如此收获，何乐而不为？
令人感到惊讶的是，虽然麦克斯韦是在“以太”的基础上导出他的电磁学理论的，他却又特别强调：“结论与上述假设无关，它们只基于三类实验事实。”这也许意味着麦克斯韦本人并不相信那虚无缥缈的“以太”是真实存在的。也许，在他的内心深处，他的方程组和“场”才是真正真实的东西。
不过话又说回来，20个方程确实有点多有点繁。后来，英国自学成才的科学家亥维赛将它们简化为四个方程（除采用矢量形式外，他还抛弃了部分的方程），这四个方程就是我们今天所称的麦克斯韦方程组。简化之后的方程组比原来的20个方程确实漂亮了许多，电磁场的对称性更加一目了然了。然而，这四个方程所组成的方程组虽然简明漂亮，但内涵却比不上麦克斯韦原创的那20个方程。半个世纪后，在费恩曼等人创立量子电动力学时，他们就又不得不从麦克斯韦“原创”的那20个方程开始。
与法拉第一样，麦克斯韦在电磁学之外也作出了一些根本性的贡献。例如，1859年，麦克斯韦从理论上导出了气体分子速度分布的规律，这一成就为统计力学的后续发展奠定了基础。在热力学方面，他不仅发现著名的麦克斯韦关系式和麦克斯韦等面积法则，而且更为重要的是，正是他的慧眼和举荐，欧洲的科学家才开始关注美国物理学家吉布斯在化学热力学等方面所取得的高度创造性的成就。在天文学上，他首先从理论上指出了套在天王星外围的圆环不是一个整体，是由许许多多个分离的小小天体所组成的。一百多年后，这一卓越的推理才被探访土星的“旅行者号”探测器所证实。
在麦克斯韦的众多成就中，有一项非常特别，那就是他在1871年主持创建了举世闻名的卡文迪许实验室。1874年，实验室建好后，他又成为第一任实验室主任。中国古代的贤哲们认为，“圣人立制”；俗话云，“万事开头难”、“好的开始是成功的一半”。没有大智慧，是难以制定出能确保长期繁荣昌盛的规章制度的；没有高尚的品德，也是难以服众、难以带好头的。从这几个方面看，被誉为世界“科研中心”的卡文迪许实验室的一百多年来的辉煌（有兴趣的读者可上网查查“卡文迪许实验室”相关的资料，那里的“大师”级牛人一波又一波的，着实令人“眼红”。），在一定程度上就源于麦克斯韦在建造和主持实验室工作的那八年时间中沉积下来的远见卓识和无私奉献。
在常人眼中，科学家都好似有点不近人情。其实，这是一个误解。编者相信科学家中不近人情的程度、比例等都应当与常人一样。在这里我举两个比较极端的例子，一个是大名鼎鼎的高斯，另一个就是本文的主角麦克斯韦。
高斯是一个研究狂，他曾言：“如果别人思考数学的真理像我一样深入持久，他也会找到我的发现。”高斯是这么说的，更是这么做的。在妻子重病弥留之际，高斯仍舍不得放下正在研究的问题，甚至在管家发火逼他去见妻子最后一面时，他居然还对管家说：“你告诉她，我忙完就过去。让她再耐心等一会儿。”
麦克斯韦则非常的不同，他是一个感情特别丰富的人。他特别看重家庭和朋友。他一位好朋友的狗死了，他真情地为狗写了吊唁文。1855年，在他发表第一篇电磁学论文后不久，他的父亲生病了。他赶紧辞去剑桥大学的工作，回到家乡照顾父亲。在他生命的最后几年里，他又在百忙之中抽出时间照顾他那重病的妻子。他亲自照顾他的妻子，期间曾有三周时间未上床睡过觉。
麦克斯韦还是位乐于奉献的人。他关注工人教育和活动，并为此做过义工。在他生命的最后5年里，他在主持卡文迪许实验室工作的同时，还一直忙于整理被誉为“最有钱的学者、最有学问的富翁”的英国科学家卡文迪许留下的浩瀚的研究手稿（就是那位首先测量出地球质量的科学奇才。他特别内向，据说与自己的管家交流都要靠传递纸条来完成。也许因为太内向了，他终生未娶，他的很多成果也都未发表。他家特别有钱，卡文迪许实验室就是他那位当时做剑桥大学校长的非直系后人为纪念他而捐资建造的。也正是这位后人，请麦克斯韦整理他的工作。直到病逝前不久，麦克斯韦才终于完成了这一艰巨的工作）。如果他像高斯那样全身心地投入到个人的科学研究之中，那科学乃至人类的历史也许就会有很大的不同（别的不说，单在他生命的最后的8年里，他就基本上放弃了自己的研究工作。而在他之前的工作中，他显然已差不多洞察到了相对论的内核）。劳累摧毁了他的健康，他也因此而早逝。
与同一级别的物理学大师牛顿和爱因斯坦在有生之年就在大众之中赢得了显赫的声名形成鲜明对比的是，麦克斯韦不仅在生前不被普通民众知晓，而且至今在普通的民众之中几乎也是默默无名的。这一点与大数学家欧拉极为相似。说来也是奇怪，欧拉也是一位品德极为高尚、积极提携后进且看重家庭的人。对于欧拉，美国著名数学史专家William Dunham在其名著《数学那些事儿》一书中动情地写道：“糟糕的是欧拉不是画家中的雷诺阿，而是伦勃朗；不是音乐家中的勃拉姆斯，而是巴赫；不是作家中的斯科特，而是莎士比亚。有如此身份的这样一名数学家——数学界的莎士比亚——却几乎没有得到公众的认可，是一个极大的悲剧。”对于麦克斯韦，对于这样的一位物理学界的贝多芬，对于这样的一位对现代科学技术和人们日常生活有着根本性影响的世界巨人，一般的民众（注：英国科学期刊《物理世界》的读者显然并非寻常百姓）几乎一无所知，这是不是一个比欧拉还要悲的悲剧呢？
不仅如此，就是在同行之中，他在生前也没有获得与在他之前的法拉第和在他之后的赫兹所获得的那样的荣耀。他在物理学中的崇高地位一直要等到他去世将近十年后才被赫兹的伟大实验确立下来。
虽然麦克斯韦本人一向谦逊，不在意名位，但所有学习、研究物理的人都不会忘记他。在谈到麦克斯韦时，德国著名物理学家、量子论的奠基人普朗克说：“麦克斯韦的光辉名字将永远镌刻在经典物理学的门扉上，永放光芒。从生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界。”
斯人已去，光芒常在，业绩永存！返回搜狐，查看更多
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