麦克斯韦对物理学发展的贡献

麦克斯韦对物理学发展的贡献

摘要：詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是伟大的英国物理学家，经典电磁理论的创始人。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习，1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金，毕业留校任职两年。1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。 1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》，并于1873年出版，1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授，负责筹建著名的卡文迪什实验室，1874年建成后担任这个实验室的第一任主任，直到1879年11月5日在剑桥逝世。

关键词：麦克斯韦; 电磁场理论; 气动理论; 概率论。

一 麦克斯韦的生平

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，英国物理学家、数学家。科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合，麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。1873年出版的《论电和磁》，也被尊为继牛顿《自然哲学的数学原理》之后的一部最重要的物理学经典。没有电磁学就没有现代电工学，也就不可能有现代文明。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1831年6月13日生于苏格兰古都爱丁堡，麦克斯韦的父亲约翰是一名不随流俗的机械设计师，他对麦克斯韦的影响非常大。他是长老会教友，但思路开阔，思想敏锐，讲求实际，特别能干。家里的事情，不分巨细，他都料理得很好。修缮房屋，打扫庭院，给孩子们制做玩具，乃至裁剪衣服，他样样都能胜任。

1847年，麦克斯韦16岁，中学毕业，进入爱丁堡大学学习。这里是苏格兰的最高学府。他是班上年纪最小的学生，但考试成绩却总是名列前茅。他在这里专攻数学物理，并且显示出非凡的才华。他读书非常用功，但并非死读书，在学习之余他仍然写诗，不知满足地读课外书，积累了相当广泛的知识。 麦克斯韦在爱丁堡大学，麦克斯韦获得了攀登科学高峰所必备的基础训练。其中两个人对他影响最深，一是物理学家和登山家福布斯，一是逻辑学和形而上学教授哈密顿。福布斯是一个实验家，他培养了麦克斯韦对实验技术的浓厚兴趣，一个从事理论物理的人很难有这种兴趣。他强制麦克斯韦写作要条理清楚，并把自己对科学史的爱好传给麦克斯韦。哈密顿教授则用广博的学识影响着他，并用出色的怪异的批评能力刺激麦克斯韦去研究基础问题。在这些有真才实学的人的影响下，加上麦克斯韦个人的天才和努力，麦克斯韦的学识一天天进步，他用三年时间就完成了四年的学业，相形之下，爱丁堡大学这个摇篮已经不能满足麦克斯韦的求知欲。为了进一步深造，1850年，他征得了父亲的同意，离开爱丁堡，到人才济济的剑桥去求学。赫兹是德国的一位青年物理学家。麦克斯韦的《电磁学通论》发表之时，他只16岁。在当时的德国，人们依然固守着牛顿的传统物理学观念，法拉第、麦克斯韦的理论对物质世界进行了崭新的描绘，但是违背了传统，因此在德国等欧洲中心地带毫无立足之地，甚而被当成奇谈怪论。当时支持电磁理论研究的，只有波尔茨曼和赫尔姆霍茨。赫兹后来成了赫姆霍茨的学生。在老师的影响下，赫兹对电磁学进行了深入的研究，在进行了物理事实的比较后，他确认，麦克斯韦的理论比传统的“超距理论”更令人信服。于是他决定用实验来证实这一点。1886年，赫兹经过反复实验，发明了一种电波环，用这种电波环作了一系列的实验，终于在1888年发现了人们怀疑和期待已久的电磁波。赫兹的实验公布后，轰动了全世界的科学界，由法拉第开创、麦克斯韦总结的电磁理论，至此取得了决定性的胜利。麦克斯韦的伟大遗愿终于实现了。

二 麦克斯韦的主要研究领域

麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的 路德维希·玻尔兹曼研究。尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术，就是以电磁场理论为基础发展起来的。麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学，在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后，坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望，决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。他在前人成就的基础上，对整个电磁现象作了系统、全面的研究，凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文：《论法拉第的力线》（1855年12月至1856年2月）；《论物理的力线》（1861至1862年）；《电磁场的动力学理论》（1864年12月8日）。对前人和他自己的工作进行了综合概括，将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，经后人整理和改写，成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。据此，1865年他预言了电磁波的存在，电磁波只可能是横波，并推导出电磁波的传播速度等于光速，同时得出结论：光是电磁波的一种形式，揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。

麦克斯韦于1873年出版了科学名著《电磁理论》。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献，他是气体动理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律，从而找到了由微观两求统计平均值的更确切的途径。1866年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法，这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的。他引入了驰豫时间的概念，发展了一般形式的输运理论，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年引入了“统计力学”这个术语。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师，他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪什实验室，在他和

以后几位主任的领导下，发展成为举世闻名的学术中心之一。

三 麦克斯韦对电磁场理论的贡献

麦克斯韦通过三篇关于电磁场理论的论文，将电磁理论用简洁、对称、完善的数学形式表述出来。1856年2月，麦克斯韦在剑桥学报上发表了他的第一篇电磁学论文《论法拉第力线》(on Farday'sLines of Force)。因为在此之前，他已经阅读了法拉第的《电学实验研究》，认识到“力线”概论的重要性，并决心把法拉第的天才观念用清晰准确的数学形式表示出来。麦克斯韦在论文的开始就环顾了当时电磁学研究的现状，指出虽然已经建立了很多实验定律和数学理论，但未能提示各种电磁现象之间的联系，决定“寻找一些在思维发展的每一步保持清晰物理概念的研究方法”，他认为“物理类比”就是这一研究方法。于是在这篇论文中，他大胆采用类比法，在论文的第一部分阐述了力线和不可压缩流体间的类比，这一类比实际上是将W汤姆逊(Thomson)就此论题所作的处理作了重要的发展。麦克斯韦着重分析了不可压缩流体通过有阻力媒质的运动，他把流线的开始处称为源，流线的终止处称为穴，把流体源产生的流线与点电荷产生的力线加以类比，把流体运动和电流加以类比。流体中的压强相应于导体中的电张力，物理上等同于静电电势，流体中某方向的压力减少率相应于沿该方向该点的电动力。他在描述流线与力线时，涉及到“量”和“强度”的述语。对流体，前者表示“流量”，后者表示克服阻力的“力”。对于电流，“量”指在单位时间内通过一个截面的电量，它是遵从连续性方程的量，可以遍及曲面作积分，“强度”则可以沿着线段作积分。这样，他把深奥抽象的物理知识转化为直观形象的几何图形。论文的第二部分主要是讨论了电磁感应现象。在第一部分的基础上，他对法拉第的力线观念作了精密的数学处理，确立了各电磁量之间的相互联系，建立了对于电紧张态的数学描述，提出了电场的概念。1861年到1862年，麦克斯韦发表了《论物理力线》这篇重要论文，为了对已经确立的电学量和磁学量之间的关系加以物理解释，他设计了电磁作用的力学模型。在此论文的第一部分“应用于磁现象的分子涡旋理论”中，讨论了磁体之

间、能够产生磁感应的物质之间以及电流之间的作用力。Faraday关于力线的应力性质得到了很好的说明: 由于涡旋的旋转作用，引起离心力，使每一个涡旋在横向扩张从而纵向收缩，故此磁力线在纵向表现为张力，在横向表现

为压力。

四 麦克斯韦对气动理论的贡献

麦克斯韦在热力学与统计物理学方面也作出了重要贡献，是气动理论的创始人之一。当麦克斯韦还是一个17岁的学生的时候，他的老师爱丁堡大学的佛贝斯曾对1767年一次双星观测的统计结果进行过验算，引起了他对概率论的兴趣，此后他开始阅读有关统计学著作，1850年，英国著名物理学家和天文学家赫谢尔在《爱丁堡评论》上发表了长篇述评，介绍魁勒特的工作，这篇评论给麦克斯韦强烈印象，此外，克劳修斯在推导平均自由程时用到了概率论，也对麦克斯韦形成对气动理论的兴趣产生了巨大影响。1859年麦克斯韦写了《气体动力理论的说明》一文，他通过讨论完全弹性球的碰撞与运动，首次用统计方法得出气体分子经过碰撞后沿各方向运动的概率相等的结论。他认为任何速度都是不可能是被禁止的，分子的速度可以从0到0o，他指出气体分子间的频繁碰撞并不使它们的速度趋于一致，而是出现一个不同范围内的某种分布，在平衡态下，这种分布不变.若知道了气体分子按速度的分布，则气体大部分可观察的性质都可以由此计算出来，为此，麦克斯韦作了以下三个假设:两个弹性球相碰时，在一切方向上的反冲都有同等概率; 速度的各分量X,Y,Z的分布彼此独立，速度分布不受外界影响，可是，麦克斯韦的这一推导起初并末引起人们的兴趣，甚至受到了克劳修斯的批评和其他物理学家的怀疑，因为概率论的方法基本上只用于描述社会过程，在物理学中的应用极其有限，这之后的几年，麦克斯韦继续埋头研究，直到1866年麦克斯韦向英国皇家学会提出了一部最重要的、篇幅巨大的分子运动论著作《气体的动力理论》，讨论气体的输运过程等若干热力学问题，其中有一段是关于在

热平衡状态下气体速度分布定律的推导，这一推导不再有“速度的三个分量的分布相互独立”的假设，也得出了上述速度分布律，因这个推导以分子弹性碰撞为出发点，并无任何假设，因而普遍成立。然而，麦克斯韦速率分布律是否正确，在当时是无法进行实验验证的，直至1920年斯特恩发展了分子束方法，才第一次直接证明了速率分布率的正确性。此外，麦克斯韦还引人了弛豫时间的概念，发展了一般形式的输运理论，并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程, 1867年他最先表明热力学第二定律的统计意义，1878年引人了“统计力学”这个述语。麦克斯韦速度分布律的导出促进了分子运动论的发展，开创了对热现象的统计研究方法，对热力学的发展作出了巨大的贡献。

五 小结

展望麦克斯韦的一生，他主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究，尤其是他建立的电磁理论，将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。另外，他研究和处理问题的方法也是我们学习的榜样。他重视物理实验，善于运用数学工具分析物理问题，善于精确表述科学思想，善于从实验出发，经过敏锐的观察和思考，应用娴熟的数学技巧，经过慎密的分析和推理，大胆提出假设，建立新理论，并使其理论接受实验的检验，从而形成系统、完整的理论。另外，他还善于运用类比方法，寻找到不同现象之间的联系，从而逐步提示科学真理。麦克斯韦对物理学的巨大贡献是物理学界一座永不可磨灭的丰碑，他的严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。

参 考 文 献

[1]向义和.物理学基本概念和基本定律溯源(MI.高等教育出版社。

[2]陈照谋、陈采花.Maxwel 电滋场理论的建立和它的启迪〔J).大学物理.1986年10月、11期。

[3]沈慧君.麦克斯韦是怎样推导速度分布定律的〔J)，物理，1986年5月

[4]木白.麦克斯韦[J ) .大学物理.1997年5月.

The development of physics maxwell's contribution

Abstract: James clark maxwell is the great British physicist, founder of the classical electromagnetic theory. 1847 the Edinburgh university to study math and physics. In 1850 to study mathematics at trinity college, Cambridge, 1854 in second she has Smith scholarship, graduated from the two years' experience there. 1856 in Aberdeen in Scotland, Mali sand ears as natural philosophy professor. 1860 to king's college London as natural philosophy and astronomy professor. 1861 elected member of the royal society of London. In the spring of 1865 quit teaching returned home to systematic summary of his about electromagnetism research results, the completion of the electromagnetic field theory of the classic book \"on electric and magnetic\and was published in 1873, 1871 hire for Cambridge university of a new test physics professor cavendish, be responsible for the preparation of the famous cavendish laboratory, 1874 years after the completion of the laboratory as the first director, until on November 5, 1879, died in Cambridge.

Keywords: maxwell; Electromagnetic field theory; Pneumatic theory;

Probability theory.