麥克斯韋：譜寫了上帝詩篇的隱士

在近代科學史上，有一位傑出的物理學家，他的成就可以同牛頓、愛因斯坦相提並論，但他的名字卻不大為人所熟知。

被冷落了幾乎一個世紀之後，在千禧年即將來到的1999年底，英國《物理世界》雜誌評選出「有史以來10名最偉大的物理學家」，他的名字排在第三（前兩名是愛因斯坦、牛頓）。在同一時間，英國廣播公司（BBC）舉行「一千年來10名最偉大的思想家」網上評選活動，世界各國所有人士均可參加投票，評選最後揭曉，他名列第九。

這位偉大的物理學家、思想家留著長長的鬍子，神態嚴肅，目光炯炯。他一生只活了48歲，卻在電磁學、光學、分子物理學、天文學等許多科學領域作出了重大貢獻。其中影響最深遠的是：他從理論上總結了人類對電磁現象的認識，揭開了電磁之謎，天才地預見了電磁波，為後來無線電的誕生和發展開闢了道路。我們今天生活在電波世界中，電視、廣播、無線電通訊、導航、遙控、遙測、雷達等現代新技術，都是通過電磁波傳遞信息來實現的。但在這位科學家生活的時代，人們並不知道有電磁波存在，也不相信他的預言和理論。他一生都不為人所理解：中學時代他的服裝不為同伴理解；大學時代他的言語不為聽者理解；到後來，他的學說也是很長時間沒有知音。他生前的榮譽遠不及法拉第，直到他死後許多年，在赫茲證明了電磁波存在後，人們才意識到，並公認他是「自牛頓以後世界上最偉大的數學物理學家」。

這位科學巨人就是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，被譽為「電波之父」。麥克斯韋揭開電磁波奧秘的偉大發現，堪稱是譜寫了上帝的詩篇。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（網路圖）

1854年，23歲的麥克斯韋從劍橋大學畢業。這個時候法拉第的名著《電學實驗研究》出版了。這是法拉第對自己畢生研究電磁學的成果的總結，非常寶貴。麥克斯韋拿著這部精裝的巨著，愛不釋手。他一下子就被書中的實驗和新穎的見解吸引住了。這本書把麥克斯韋帶到了一個嶄新的領域，令他心馳神往。正是這位大師，經過10年探求，發現了著名的電磁感應現象，證明了不僅電可以變成磁，磁也可以變成電，從而揭示出電和磁有著不可分割的聯繫。

麥克斯韋讀了《電學實驗研究》，對法拉第的學說深感佩服，但讀完這部巨著，有一個事實引起了他的注意：在厚厚的三卷《電學實驗研究》中，竟然找不到一條數學公式。這是為什麼呢？

作為一位理論物理學家，麥克斯韋很清楚，物理學是離不開數學的。牛頓的力學定律、天文上的行星三大定律，都是以公式的形式來概括的。法拉第的電磁學說卻沒有一條公式，這引起了他的思索。

麥克斯韋既尊重前輩的成果，又從來不迷信任何權威，包括他所崇敬的法拉第在內。小時候，父親曾對他說「牛頓也是可以懷疑的」，這句箴言他一直銘記不忘。麥克斯韋開始從不足的方面去分析法拉第的著作。他意識到，缺乏數學上的高度概括，也許正是這位大師的短處。

麥克斯韋寫信向威廉·湯姆遜教授請教。湯姆遜回信告訴麥克斯韋，法拉第的學說包含著人們沒有發現的真理，是帶有革命性的。不過，法拉第是自學而成的科學家，他有許多過人之處，唯獨數學修養較差，因而他的學說還缺乏理論上的嚴謹，這就是為什麼整個一部輝煌的《電學實驗研究》中找不到一條數學公式的原因。湯姆遜還說，正是由於這個緣故，一般的理論物理學家都不承認法拉第的學說，就連英國那些第一流學者們的意見也有分歧。

法拉第（網路圖）

湯姆遜的信，像一盞明燈，照亮了麥克斯韋的心。這位初出茅廬的青年科學家決定獻出自己的數學才能，去彌補法拉第學說定性表述的弱點。他暗下決心要從理論的高度粉碎那些愚蠢的偏見。

一年之後，24歲的麥克斯韋發表了《法拉第的力線》，這是他第一篇關於電磁學的論文。一顆新星在電磁學領域升起來了！人們驚異地注視著它的熠熠光彩。在這篇論文中，麥克斯韋通過數學方法，把法拉第關於電流周圍存在磁力線這一思想，成功地概括為一個數學方程。法拉第的學說第一次有了定量的表述形式。

麥克斯韋沿著這個方向深入研究下去。7年之後，他在英國《哲學雜誌》上發表了第二篇電磁學論文《論物理的力線》。在這篇劃時代的論文中，麥克斯韋根據他設計的理論模型，推導出兩個非常精鍊的數學公式。這是兩個高度抽象的微分方程，只有幾個數學符號，看去很簡單，含義卻非常複雜、深刻。它不僅圓滿地解釋了法拉第的電磁感應實驗，還可以解釋迄今為止人們所發現的一切有關電和磁的現象。麥克斯韋麥克斯韋進一步思考發現，這兩個微分方程式，實際上揭示了電磁規律的兩個方面：一是電場隨時間變化將引起磁場；二是磁場隨時間變化又會產生電場。二者總是密切聯繫，互為因果的。麥克斯韋因此在《論物理的力線》中大膽地預言：這種交變的電磁場向空間傳播開去，就會形成當時人們尚不知道的電磁波。

麥克斯韋方程組（網路圖）

1865年，麥克斯韋完成了第三篇電磁論文《電磁場動力學》。麥克斯韋從他的電磁方程組推導出了一個新的方程式。他發現這個新方程式是一個波動方程！麥克斯韋克制著內心的激動，立即根據波動方程的參數計算這個波的傳播速度。計算結果使他驚喜得怔住了：它正好等於光速！

至此，電磁波的存在是確定無疑了！而且光也是一種電磁波。

1873年，麥克斯韋的輝煌巨著《電磁學通論》出版。它系統地總結了奧斯特、安培、法拉第等人關於電和磁的研究成果，並在此基礎上對整個電磁現象作了系統、全面的總結，將電磁場理論用簡潔、對稱、完美的數學形式表示出來，這就是成為經典電動力學主要基礎的麥克斯韋方程組：有人稱麥克斯韋方程組是物理史上最美的一組方程。整個世界有那麼多複雜紛繁的電磁現象，但是沒有一個能逃出這個方程組的約束。就像牛頓的三定律總括了天上地下的一切宏觀運動現象一樣，這個如此簡短的方程組，可以用來描述一切電磁現象。而且，這個麥克斯韋方程組具有美妙的對稱性。玻爾茲曼說的沒錯，這的確是「上帝的詩歌」。

楊振寧也稱讚說：「牛頓的運動方程式、麥克斯韋方程式、愛因斯坦的狹義與廣義相對論方程，達到了科學研究的最高境界。它們以極度濃縮的數學語言寫出了物理世界的基本結構，可以說它們是造物者的詩篇。」

備註：式中E 為電場，H為磁場；E·表示變化的電場，H·表示變化的磁場。

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