电磁学大师和分子运动论的修正者麦克斯韦

　　麦克斯韦1831年11月13日出生于苏格兰古都爱丁堡。那一年，恰好法拉弟发现电磁感应。麦克斯韦在中学时就显出了他过人的思考能力，15岁那年即写了一篇数学论文，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上，论文的内容是讨论二次曲线的几何作图。1850年，麦克斯韦考入剑桥大学三一学院，主攻数学、物理学。在剑桥期间，他对色彩的感知作了一些有趣的研究并且用数学证明了土星环不可能是刚性的固体物质，这后一项成就充分展现了麦克斯韦作为一个数学物理学家的杰出才能。

电磁理论的集大成者

　　电磁理论就像是一场接力跑，从奥斯特、安培发现电流的磁效应开始，经过法拉弟的奠基，直到最后理论的完成，前后共经历了半个多世纪，而这一理论的集大成者正是麦克斯韦。

　　1855年，24岁的麦克斯韦发表了《法拉弟的力线》一文，这是他第一篇关于电磁学的论文。在论文中，麦克斯韦第一次将法拉弟的电力线概念赋予数学形式，从而初步建立了电与磁之间的数学关系。《法拉弟的力线》一文，虽然是用数学工具对法拉弟的力线概念进行再解释，但却是非常重要的一步，因为经过这种解释后法拉弟的力线概念就由一种直观的想像上升为一种科学的理论。法拉弟也说到了这篇论文，他实在没想到论文的作者这么年轻。当麦克斯韦征求他对论文的看法时，法拉弟说：“我不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。”“先生能给我指出论文的缺点吗？”麦克斯韦谦虚地问。“这是一篇出色的文章，”法拉弟说，“但你不应停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它。”

　　1862年，麦克斯韦发表了他的第二篇电磁学论文《论物理的力线》。这篇论文与1855年的《法拉弟的力线》一文相比，有了质的飞跃。论文不再是法拉弟观点单纯的数学翻译，而是作了重大的引申和发展。在这篇论文中，麦克斯韦提出了自己首创的“位移电流”和“电磁场”等新概念，并在此基础上，给出了电磁场理论的更完整的数学表述，并预见了电磁波的存在。他认为，变化的电场必激发磁场，变化的磁场又激发电场，这种变化着的电场和磁场共同构成了统一的电磁场。电磁场以横波的形式在空间传播，形成所谓电磁波。麦克斯韦作出这一预见时，年仅31岁。

　　1865年，麦克斯韦发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》。在这篇论文中，通过应用拉格朗日和哈密顿创立的数学方法，麦克斯韦推算出了电磁波的传播速度，并断定光也是一种电磁波。法拉弟当年关于光与电磁关系的朦胧猜想，就这样由麦克斯韦变成了科学的推论。1873年，麦克斯韦的著作《电磁学通论》正式出版。这部伟大的著作，足以与牛顿的《数学原理》、达尔文的《物种起源》相比，均是人类思想最宝贵的结晶。

对分子运动论的修正

　　麦克斯韦在热动力学领域的研究工作开始于1859年，当时他28岁，已是国王学院的教授。这年4月麦克斯韦偶然读到克劳修斯关于气体分子运动的平均自由程的论文，很受鼓舞，认为可以用所掌握的概率理论对分子运动论进行更全面的论证。但在19世纪中叶，这种新颖思想却与大多数物理学家的观念相抵触，他们坚持把经典力学的定律用于气体分子的运动，希望对系统中所有分子的位置与速度作出完备的描述。而麦克斯韦认为这是不可能的，只有用统计方法才能正确描述大量分子的行为。他从分子无规则运动的基本假设出发得到的结论是：气体中分子间的大量碰撞不是导致像某些科学家所期望的使分子速度平均，而是呈现出速度的统计分布，所有速度都会以一定的几率出现。也是在这一年，麦克斯韦发表了《气体分子运动论的说明》一文，修正了克劳修斯关于给定气体中所有分子的速度均相等的概念，而用平均平动动能作为温度的标志。

　　麦克斯韦运用他高超的数学才能推导出了气体分子运动的速度分布函数，这在科学思想史上具有重大意义。麦克斯韦的传记作者埃弗里特指出，速度分布函数的导出“标志着物理学新纪元的开始，用统计方法分析物理学与社会科学的观察报告由来已久，但麦克斯韦这种用统计函数描述真实物理过程的观念却是非凡的新奇观念。”用统计方法来描述物理现象，使力学定律的普适性、决定性受到一次极大的冲击。

　　1866年下半年，麦克斯韦向英国皇家学会提交了一篇更为重要的论文：《论气体动力学理论》。在这篇论文中，麦克斯韦根据与分子碰撞直接联系在一起的新思想，制订了新的研究方法，结果再次推导出了他先前给出的气体分子运动的速度分布函数，证明他先前对分子运动论的统计描述是正确的。但麦克斯韦的设想并不一直都能得到证实。在《热的理论》一书中，麦克斯韦提出了一个假想实验，以表明热力学第二定律是可能被违反的。他的实验是这样的：把一个容器分成两个部分，一部分充入高温气体，一部分充入低温气体，中间用一个绝热薄膜隔开，只在薄膜上开一个小洞。根据热力学第二定律，热量从高温部分流向低温部分，最终在两部分之间达到热平衡。但如果设想有一个小精灵守在这个小洞旁，对来往的高速、低速分子有选择地放行，则可能会使高温部分的温度更高，低温部分的温度更低，从而使得热力学第二定律被打破。当然，麦克斯韦的这个假想实验不可能实现，因为那样一个能干的小精灵根本无法找到。

　　1879年11月5日，麦克斯韦因肺病不幸去世，年仅49岁。他的理论为近代科技开辟了一条崭新的道路。当我们意识到今日的技术社会被电磁波所笼罩时，我们不能不想到这位伟大的数学物理学家。