法拉第、麥克斯韋和電磁理論

法拉第、麥克斯韋和電磁理論韋伯穿過一個又一個歐姆。把回音帶給我“我是你忠實而又真誠的法拉，充電到一個伏特，表示對你的愛。麥克斯韋法拉第通過實驗發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并從直觀的猜想提出了磁力線、場的假設(shè)，但是他一時無法用實驗去證實，便將這個預(yù)言存入皇家學(xué)院地下室的文件柜里，專等知音者上門。他于年月存起這個預(yù)言以后，等了整整二十三年，也未見有一人上門，未聽到一句能理解他的知心話。相反，倒是常有不少人，包括當(dāng)時一些著名的物理學(xué)家，經(jīng)常諷刺挖苦他。他只有靠發(fā)奮工作來消除這些煩惱。他在工作很疲倦的時侯，便靠在椅子上閉目養(yǎng)神，有時不由自主地想起了開普勒在發(fā)現(xiàn)三定律后說的那段話：反正我是發(fā)現(xiàn)了，也許要到一百年以后才會有人理解?？磥泶松粫腥送曳窒戆l(fā)現(xiàn)的歡樂，我只能忍受這種發(fā)現(xiàn)的孤獨了。一天，他正唉聲嘆氣地翻著每天收到的一大摞學(xué)報、雜志，忽然眼前一亮，一篇論文的題目豁然映人眼簾：論法拉第的力線。他尤若餓漢揀著一塊甜面包一樣，一口氣將那些文字連標(biāo)點一起掃了個精光。這的確是一篇好論文，是專門闡述他的發(fā)現(xiàn)、他的思想的，而且妙就妙在文章將法拉第充滿力線的場比做一種流體場，這就可以借助流體力學(xué)的成果來解釋；又把力線概括為一個矢量微分方程，可借助數(shù)學(xué)方法來描述。法拉第從小失學(xué)，未受過正規(guī)學(xué)校的訓(xùn)練，最缺的就是數(shù)學(xué)，現(xiàn)在突然有人從數(shù)學(xué)角度來為他幫忙，真是如虎添翼。他忙看文章的作者是誰，卻是一個陌生的名字：詹姆斯克拉克麥克斯韋。從這一天起他就到處打聽這個作者，但是就如這篇文章的突然出現(xiàn)一樣，作者也突然的無影無蹤了。法拉第只好望著天花板嘆氣了。就在法拉第盼望著與麥克斯韋見面，卻又無從找尋之時，通柱蘇格蘭古都愛丁堡的大路上正匆匆走著一個小伙子。這人正是麥克斯韋（年年）。他本是在倫敦劍橋大學(xué)畢業(yè)后留校工作的，但是前幾天突然接到家里來信，說父親病重，便放下手頭的工作趕回老家來了。麥克斯韋生于 1831年11月13日。正好是法拉發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)那一天后的第三十三天。好像上帝將他送到人間就是專門準(zhǔn)備來接替法拉第似的。麥克斯韋九歲那年母親因肺病去世，于是他從小與父親相依為命。他父親是一位極聰明而又不愿受傳統(tǒng)束縛的工程師。一次，他在桌上擺了一瓶花教兒子畫寫生。不想畫完后交來的卻是滿紙的幾何圖形：花朵是些大大小小的圓圈，葉子是些三角形，花瓶是個大梯。父親摸著兒子雅氣的臉蛋說：“看來你是個數(shù)學(xué)天才，將來在這方面必有所成?！庇谑潜汩_始教他幾何、代數(shù)。麥克斯韋也真是個神童，在中學(xué)舉辦的一次數(shù)學(xué)、詩歌比賽中，他一個人竟囊括了兩項頭等獎；十五歲那年中學(xué)還未畢業(yè)就寫了一篇討論二次曲線的論文，居然在愛丁堡皇家學(xué)會學(xué)報上發(fā)表。麥克斯韋十六歲便考進(jìn)愛丁堡大學(xué)。一次上課，他突然舉手站起，說老師在黑板上推導(dǎo)的一個方程有錯誤。這位講師也賭氣似他說：“要是你對，我就叫他麥?zhǔn)瞎剑　辈幌脒@位老師下課以后仔細(xì)一算，果然是學(xué)生對了。年，父親又把他送到劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)。 年他以數(shù)學(xué)優(yōu)等第二名的成績畢業(yè)，畢業(yè)后他即對電磁學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。第二年就發(fā)表了論法拉第的力線。正當(dāng)他才華初露要在新領(lǐng)域大顯身手時，忽然接到家信，便急急趕了回去。麥克斯韋是一個孝子，一進(jìn)家門看見父親形容枯槁，臥床不起，便想到自己幼年失母，父親拉扯自己的艱辛，不覺抱頭痛哭。之后他終日侍藥床前，百般溫順。為了就近照顧父親，他又寫信給劍橋大辭去職務(wù)，準(zhǔn)備在離家不遠(yuǎn)的阿伯丁港的馬銳斯凱爾學(xué)院任教。第二年，父親溘然長逝。他就到馬銳欺凱爾學(xué)院上任，主持一個“自然哲學(xué)”的講座。冬去春來，轉(zhuǎn)眼到了年，麥克斯韋來這里已經(jīng)四個年頭，他關(guān)于土星光環(huán)、氣體力學(xué)的研究雖已取得重要成果，卻無暇顧及他時刻掛念的電磁學(xué)。這時又趕上馬銳斯凱爾學(xué)院和另一家學(xué)院合并，他主持的講座也被取消，新的飯碗還不知道在哪里。這時他的母校愛丁堡大學(xué)正要招一名自然哲學(xué)講座的教授，他連忙報名。同考的有三人，論學(xué)問和名聲，他自然穩(wěn)被錄取。不想在口試的時候，他面對臺前母校里的那些前輩師長，不知不覺又緊張起來，雖然也努力想放松一點，但反而時快時慢，語句斷斷續(xù)續(xù)。最后終因“口頭表達(dá)能力欠佳”而落選了，他只好帶著妻子再次來倫敦投靠皇家學(xué)院。但塞翁失馬，焉知非福？他沒想到正是由于在愛丁堡落選，卻成就了他的一番事業(yè)。法拉第自從閱讀了麥克斯韋的那篇文章后，就天天留心有無類似的文章發(fā)表，同時也到處打聽麥克韋的消息，誰知就如慧星劃過天空一樣，從此杳無音訊。而他也一天天的老了，到1860年他已是一個七十九歲高齡的老人，唯一放心不下的就是自己的發(fā)現(xiàn)不為人知。莫非那地下室里的文件真要到百年后才能實現(xiàn)嗎？這天早晨，當(dāng)他拄著拐杖在自家門前的草坪上散步時，遠(yuǎn)處卻走來一男一女。男的年輕瀟灑，女的恬靜美麗。那對男女走到法拉第的眼前，女的手中提著一大堆花花綠綠的禮品，男的迎上前彎下腰，恭敬地問道：“您可是尊敬的法拉第先生？”“是的，我就是邁克爾.法拉第，是一個很普通的人。”法拉第最怕別人對他恭維，所以總要加這個定語。“我是您的忠實學(xué)生麥克斯韋?！薄澳憔褪菍懻撐恼?wù)撐业牧€的麥克斯韋先生嗎？”“是的。我在您的面前，在您的學(xué)識面前，不過是個小孩子。”麥克斯韋整整小法拉第四十歲呢。當(dāng)法拉第證實站在眼前的就是麥克斯韋時，他一把摔掉拐杖，眼里頓時放出光芒，麥克斯韋也一下?lián)渖先?，兩人緊緊地?fù)肀г谝黄稹Ｒ粋€是實驗大師，一個是數(shù)學(xué)天才，這是物理和數(shù)學(xué)的擁抱，是物理學(xué)的大幸事。法拉第說：“我等你等得好苦。你終于回倫敦來了”“是您身上的磁場太強了，終于把我又吸引回來了。這次不但回到了倫敦，并且還回到了皇家學(xué)院，回到了您的身邊。”法拉第謙虛地笑了笑說：“可惜我老了，不過還來得及。第谷向開普勒交班時，生命只剩下一年。上帝能給我一年也就夠了?！薄袄蠋熌鷷L壽的。”“祝我們的新理論長壽吧！”兩人都高興得哈哈大笑起來。法拉第經(jīng)過幾年的研究已經(jīng)證明了磁能生電，能產(chǎn)生出電流，能變出電場。電流和電場并不一樣，電流很明顯的能使導(dǎo)線發(fā)熱，能電解水，叫傳導(dǎo)電流。而變化的電場雖然也有電流的某些性質(zhì)，卻并不明顯，聰明的麥克斯韋就給它起了一個名字叫“位移電流”。傳導(dǎo)電流能激發(fā)出磁場，影響磁針偏轉(zhuǎn)，那么這位移電流（變化電場）能否激發(fā)出磁場呢？這不比那具體的有熱效應(yīng)，能擊人的電，也不比那很明顯能吸鐵的磁，它們實在太不明顯了，太玄妙了。法拉第實驗了多少年還是沒有找到他們之間的聯(lián)系。正像一些微雕專家在頭發(fā)絲上能刻出一首詩一樣，他早已不是靠眼而只是靠感覺來操作了。到了最關(guān)鍵的時候，問題往往不是用實驗所能解決的，而只能靠推理來決定。這個難題果然由麥克斯韋用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出來了。年的科學(xué)史上，統(tǒng)一的電磁場理論終于誕生了。麥克斯韋發(fā)表了一組描述電磁場運動規(guī)律的方程，他證明變化的磁場可以產(chǎn)生電場，變化的電場又可產(chǎn)生磁場。這要比法拉第的“磁性”能產(chǎn)生電流，電流又能產(chǎn)生“磁性”高了一籌。磁場電場磁場電場，這兩個場的作用（電磁波）在一定的條件下不斷轉(zhuǎn)換著，并不像牛頓力學(xué)所描述的“真空的超距作用”。法拉第的預(yù)言得到了最完美的闡述和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)論證，而且更妙的是麥克斯韋用自己的方程居然推出了電磁波的速度正好等于光速，這又證明了光也是一種電磁波。光學(xué)和電磁學(xué)在這里融合了。當(dāng)年牛頓和胡克、惠更斯為了光的本質(zhì)所發(fā)生大傷感情的對立，今天才得到了真正的統(tǒng)一。法拉第畢竟比第谷要幸運。他看到了自己理論的完善，看到了自己接班人的業(yè)績。在電磁理論確立后的第二年年，這位電磁學(xué)的創(chuàng)始人帶著滿足離開了人世。而麥克斯韋在年發(fā)表公式以后，就立即回到鄉(xiāng)間老家的莊園里，閉門謝客，專心寫作詳細(xì)闡述這一理論的電磁學(xué)通論。八年后這本可以和牛頓年出版的自然哲學(xué)媲美的巨著終于出版了。牛頓筑起了一座經(jīng)典力學(xué)的宏偉大廈，而麥克斯韋則建起了一座經(jīng)典電磁學(xué)的摩天大樓。物理學(xué)經(jīng)過年的艱難攀登，終于又躍上了第二高峰。麥克斯韋的電磁理論，把電磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象的本質(zhì)統(tǒng)一起來了，完成了物理學(xué)的一次大融合，這是19世紀(jì)科學(xué)史上的一件大事。但在當(dāng)時，由于書中所用的數(shù)學(xué)方法比較深奧，極具抽象性，并且在書出版之后的很長一段時間里又沒有發(fā)現(xiàn)電磁波。因此，支持他的理論的人寥寥無幾，懷疑和反對的意見