詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)1831年6月13日生于愛丁堡的印度街14號。其父詹姆斯·克拉克是一名辯護律師，家境殷實，其母弗朗西絲婚前姓凱。他的伯父是第六代克拉克從男爵。“麥克斯韋”這一姓氏來自于與克拉克家族關(guān)系深厚的麥克斯韋家族，麥克斯韋的曾祖母即來自這個家族。而在他的父親繼承了該家族位于柯庫布里郡的米德爾比的地產(chǎn)后，“麥克斯韋”被加在他的姓氏中。
麥克斯韋幼年隨家人移居到建于他們家族米德爾比的領(lǐng)地上，占地610公頃的格倫萊爾莊園。如畫的風景，和睦的家庭，幸福的童年使他自幼就對這個世界萌生了難以抑制的好奇心。在1834年一封給他的姨母簡·凱寫的信中，他的母親寫到了自家孩子這種與生俱來的求知欲：“ 他對于門、鎖、鑰匙這些東西都非常感興趣。“告訴我它為什么會這樣?”“一直掛在他的嘴邊”。麥克斯韋的母親意識到自己孩子具有非凡的天賦，并承擔起了麥克斯韋的啟蒙教育，她為年幼的麥克斯韋介紹了西方古典音樂，繪畫，詩歌，雕塑，教他背誦彌爾頓的《失樂園》，帶他描摹著莊園內(nèi)的各種美景。這位偉大的母親卻因胃癌在麥克斯韋8歲時離世。之后對于他的教育就由他的父親和姨母簡接手。
麥克斯韋10歲時他的父親將他送到負有盛名的愛丁堡公學就讀。這段時光對于麥克斯韋本人而言并不愉快，因為濃重的地方口音與簡陋的服裝，麥克斯韋一到學校便遭到了其他同學的孤立，萬幸的是，麥克斯韋遇見了劉易斯·坎佩爾(Lewis Campbell)以及彼得·格思里·泰特(Peter Guthrie Tait)，三位志趣相近意氣相投的年輕人就這樣成為了彼此一生的摯友。在14歲時，麥克斯韋完成了他人生中的第一篇科學論文《卵形線》(Oval Curves)。這種卵形線曾經(jīng)由笛卡爾首先研究過，但麥克斯韋的方法簡潔又明確，麥克斯韋的父親對此感到極為振奮，由于麥克斯韋年齡太小而被認為沒有提交個人科學成果的資格，他父親將這篇論文寄給了愛丁堡大學的自然哲學教授詹姆斯·大衛(wèi)·福布斯，后者對此評價頗高，并將其呈示給愛丁堡皇家學會，麥克斯韋杰出的數(shù)學才能第一次得到展現(xiàn)。麥克斯韋1847年自愛丁堡公學畢業(yè)后進入愛丁堡大學就讀，他認為愛丁堡大學的課程并不是很困難，他可以借此機會在課余時間學習自己感興趣的知識。在此期間，盡管實驗條件簡陋，他還是投入大量精力于偏振光的研究上。麥克斯韋18歲時向愛丁堡皇家學會的會報提交了兩篇論文。第一篇是《論彈性固體的平衡態(tài)》(On the Equilibrium of Elastic Solids)。另一篇是《滾線》(Rolling Curves)，這位杰出的青年人開始逐漸嶄露頭角。1850年10月，麥克斯韋離開蘇格蘭前往劍橋大學，在這里麥克斯韋的非凡天賦終于有了展露之地，他師從威廉·霍普金斯(William Hopkins)，在數(shù)學與物理領(lǐng)域有了很深的造詣，最終以院系第二的成績畢業(yè)，并獲得了該年的史密斯獎。畢業(yè)后他先后在馬歇爾學院與倫敦國王學院擔任教授。
而這一時期正是物理學家們激情四射，大顯身手的好時機，自從1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后，電與磁之間那堵在傳統(tǒng)觀念上牢不可破的墻壁就此搖搖欲墜，無數(shù)杰出的物理學家奔向這一領(lǐng)域。以法國科學家安培為例，盡管這位科學巨匠在此之前曾斷言：“電和磁是相互獨立的兩種毫不相關(guān)的流體”，但在1820年后，沒過多久，他就將電流磁效應(yīng)的研究向前推進了一大步，獲得了諸多成果。但這時有一個問題橫在了當時各位物理學家面前，既然電流可以產(chǎn)生磁場，那么從對稱性的角度，磁場也必然可以產(chǎn)生電流，當時有不少物理學家都有這種想法并想通過實驗來驗證這一點，但都以失敗告終。也有不少人對這一觀點產(chǎn)生了懷疑，但在當時擔任英國皇家科學院院士的法拉第(Michael Faraday)看來，磁與電必然滿足哲學形式上的對稱。在1831年8月31日，法拉第在一只軟鐵環(huán)上纏繞了兩組線圈，根據(jù)他的實驗日記記載，當法拉第把一段線圈與電源聯(lián)通時，他意外發(fā)現(xiàn)在接通的一瞬間，另一端線圈下的磁針明顯擺動了一下，然后又恢復(fù)到原位置。作為一個杰出的物理學家，法拉第敏銳地捕捉到這一奇特的現(xiàn)象，他意識到自己先前的觀點出了問題。按照一般的思路，穩(wěn)恒的電場可以產(chǎn)生磁場，那么反過來穩(wěn)恒的磁場也一定可以產(chǎn)生電場，但自然界不喜歡死板的對稱，至此他才明白電磁感應(yīng)是一種瞬時性效應(yīng)，之后的研究如同砍瓜切菜一般自然，法拉第按照這個思路又做了一系列實驗并從中總結(jié)出了一條重要的實驗定律，為了紀念法拉第的杰出貢獻，后人將此命名為法拉第電磁感應(yīng)定律。
電與磁的聯(lián)系至此揭開了它那神秘的面紗，絕美的面容第一次展現(xiàn)在了世人眼前。盡管法拉第這位偉大的科學家出生貧寒，但他勤奮好學的精神與數(shù)十年的豐富科研經(jīng)驗讓他已經(jīng)走出了屬于自己的道路，對于物理學尤其是實驗物理有著準確獨到的見解。由于早年沒有接受正規(guī)的高等教育，使得這位大師在數(shù)學表達上稍有欠缺，在他的著作中我們可以很明顯的感受到，法拉第一直在回避使用復(fù)雜的數(shù)學符號，這使得他的文章缺乏嚴密的數(shù)理邏輯，但是作為物理學家，他以冠絕當世的思想啟迪著后世�，F(xiàn)在，電磁學的地基已經(jīng)夯實，就等另一位杰出的大師在其上大顯身手，構(gòu)建起屹立不倒的宏偉大廈了。
當麥克斯韋還在劍橋大學讀書時，就曾在圖書館中通讀過法拉第的《電磁場通論》，年輕的麥克斯韋意識到雖然由于缺乏數(shù)學手段的幫助，法拉第的一些表述并不是很清楚，但其中蘊含的某種思想?yún)s熠熠生輝，在細細研究后，麥克斯韋認為法拉第關(guān)于“場”的概念在未來將變得極為重要，他堅信一定可以利用數(shù)學的手段彌補法拉第的不足。在倫敦國王學院任教時，麥克斯韋將自己長久以來的一些研究結(jié)果連同自己的手稿一同寄給了法拉第，希望聽聽這位前輩的看法。法拉第收到來信看見那些精美的公式后極為興奮，當即回信道：
我親愛的先生：
收到了您的文章我很感謝。我不是說我敢于感謝您是為了您所說的那些有關(guān)力線的話，因為我知道您做這項工作是由于對哲學真理感興趣，您必定猜想它對我是一件愉快的工作，并鼓勵我去繼續(xù)考慮它。當我初次得知要用數(shù)學方法來處理電磁場時，我有不可名狀的擔心;但現(xiàn)在看來，這一內(nèi)容竟被處理得非常美妙。
麥克斯韋受到了極大的鼓舞，決心將法拉第以及前人的成果用自己的方式完美地展現(xiàn)在世人面前，這是他們也是自己應(yīng)得的榮耀。麥克斯韋首先整理出了物理學界已有的結(jié)果，他注意到目前的所有成果都是基于靜電場與靜磁場，那么在一般情況下，這些公式是不是依舊適用呢?他大膽推導(dǎo)：
靜電場散度已知，感應(yīng)電場散度為0，因此，第一個方程可以寫出來了。靜電場散度為0，感應(yīng)電場的散度法拉第前輩已經(jīng)得到，所以，第二個方程也不難得到。磁場為無源場，第三個方程也顯而易見。第四個是不是也和穩(wěn)恒場的情況一樣呢，麥克斯韋這樣想到。但很快他就發(fā)現(xiàn)不對勁了。能量守恒作為至高定律是不會出錯的，其數(shù)學形式意味著只有在穩(wěn)恒情況下電流才會為零。第四個方程兩邊求散度后，在一般情況下，左邊為0而右邊不可能為0，數(shù)學不會是樣的，是哪里出錯了呢?麥克斯韋陷入了焦慮之中，明明就差一點，那頂桂冠明明就在眼前，觸手可及時卻又發(fā)現(xiàn)隔著一道萬丈深淵!
現(xiàn)在看來，麥克斯韋方程組簡直是神來之筆，那簡直是神明在人間留存的痕跡，彷佛這一切本該是如此，但人世間哪有那么多理所當然的事呢�，F(xiàn)在的我們已經(jīng)難以想象當年的麥克斯韋是怎樣獲得靈感來解決這一問題的，麥克斯韋創(chuàng)造性的在第四個方程右邊增添了一項電場關(guān)于時間的變化率,或許是麥克斯韋本人杰出的數(shù)學功底，或許是受到哲學中對稱美學的啟發(fā),亦或者二者兼顧，第四個方程至此誕生。這意味著電與磁的界限將徹底消失不見，法拉第已經(jīng)證明變化的磁場可以產(chǎn)生電場，那么變化的電場也可以產(chǎn)生磁場，他驚訝的發(fā)現(xiàn)電磁場將以波的形式傳播出去，形成電磁波并且速度接近光速，由此推斷，光也是電磁波的一個分支，牛頓與惠更斯的光學規(guī)律完全可以靠已得到的方程組得出。
跨時代的發(fā)現(xiàn)令麥克斯韋欣喜若狂，他立即將他的成果整理并發(fā)表出來，可惜的是，天才的思想是如此驚世駭俗，以至于整個物理學界對此嗤之以鼻，他們認為這幾個方程都是無聊的數(shù)學游戲。麥克斯韋本人因此深受打擊，他決心自己設(shè)計實驗來驗證自己的猜想，但很快他便遇見了當初與法拉第類似的困難。相較于對理論的輕車熟路信手拈來，他本人并不擅長實驗，在經(jīng)歷了多次失敗后，只能無奈放棄了這一研究，最終在1879年11月5日因胃癌在劍橋逝世，享年48歲。在他去世時，這項劃時代的發(fā)現(xiàn)似乎已被人們遺忘，沒有人再提起這些方程，他閉眼的那一刻或許也極為不甘吧。而有意思的是，就在這一年，物理學的另一位宗師愛因斯坦在德國一戶貧苦的猶太人家中誕生，物理學就這樣一步步地艱難前進。
直到1888年，這場盛宴由德國物理學家赫茲帶來了尾聲，他利用電火花實驗巧妙地證實了電磁波的存在，至此現(xiàn)代信息社會才開始真正起步，人們也終于意識到了麥克斯韋的偉大之處，他得到了他本該早早得到的榮譽。玻爾茲曼曾贊嘆道：是哪位神明寫出了這些符號?楊振寧先生就曾指出：麥克斯韋方程組的重要性無論怎樣都不會過分，麥克斯韋方程就是電磁論。
在許多人的印象中，物理學家或是數(shù)學家都古板至極，每天沉浸在一堆旁人看不懂的符號中，嚴苛到不近人情，完全不懂得欣賞與享受。但需要注意到的是，近現(xiàn)代以來所有取得杰出貢獻的巨匠們，幾乎都對藝術(shù)情有獨鐘，牛頓本人就是一位哲學與藝術(shù)大家，麥克斯韋在愛丁堡公學就讀時獲得了校內(nèi)的數(shù)學獎和英語以及詩歌的一等獎，愛因斯坦拉得一手小提琴。無論是牛頓三定律自誕生起那種天上地下唯我獨尊的氣勢，還是麥克斯韋方程組清水出芙蓉天然去雕飾的那種美感，抑或是愛因斯坦相對論奇妙詭異卻又優(yōu)雅非凡的獨特氣質(zhì)，所有偉大的科學成就是多種思維方式組合的產(chǎn)物，物理學家對于美的追求貫穿了科學史的始終。
對故人最好的紀念，就是沿著他們開辟的道路繼續(xù)前進�；蛟S在未來不斷有新的理論產(chǎn)生與消亡，未來也許有人會指著這些方程喊道：小道耳!但發(fā)現(xiàn)真理的過程本身就是一件極其幸福的事，至于結(jié)果如何，那就只能交給時間來評判了。
作者簡介：劉子景，2001年出生，甘肅靜寧人，現(xiàn)就讀于蘭州大學核科學與技術(shù)學院。
責編：微科普