作者 高关中（德国汉堡）2026/7/2

理论物理大师麦克斯韦

说来也巧，就在法拉第发现电磁感应原理的1831年6月13日，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）于爱丁堡市北新城（New Town）的印度街14号（14 India Street）呱呱坠地。他出身贵族家庭，家境殷实。幼年随家人移居在苏格兰西南部占地600多公顷（合9000多亩）的格兰莱尔（Glenlair）庄园，在乡间长大。父亲是律师，但对科学特有兴趣，麦克斯韦先接受父亲的亲自培养，10岁起到负有盛名的爱丁堡公学就读。1 4岁时，他就写了第一篇科学论文，《卵形线》（Oval Curves）。妥妥地小学霸！

1847年16岁进入爱丁堡大学。在此期间他又发表了两篇论文。三年完成四年学业，然后爱丁堡大学就盛不下他了。1850 年，麦克斯韦来到剑桥大学的三一学院深造，这就是牛顿求学、当教授的那家学院。在这里，他像牛顿一样，得到名师指点。这位教授名霍普金斯（William Hopkins，1793-1866），有着“高级数学家制造者”的绰号，也就是洋伯乐。在他的指导下，麦克斯韦的水平更加精进。1854年毕业考试中成绩位列数学系第二名，荣获史密斯奖。史密斯奖是剑桥大学颁发的大奖，获奖对象是数学家和理论物理学家。被称为“人工智能之父”的英国数学家图灵（Alan Turing，1912-1954）也曾获得此奖。

完成学业后，麦克斯韦留在剑桥教书，讲授流体静力学和光学课程。25岁到苏格兰阿伯丁担任马里谢尔学院（Marischal College，现为阿伯丁大学）的教授。马里谢尔学院，由一转圈的楼房围庭院而成，号称是世界上最大的花岗石建筑。该校的礼堂（Mitchell Hall）里，竖立着麦克斯韦的雕像。1860年，他南下成为伦敦国王学院自然哲学教授。

早在1854年，年轻的麦克斯韦就阅读了法拉第的著作《电学实验研究》。他迅速意识到法拉第提出的“力线”（场线）这一思想的宝贵价值。他随即将其归纳为流体力学中流线的模型，成功地用数学方法推导出了法拉第的实验结论，并于次年发表论文《法拉第的力线》。他把论文寄给法拉第。法拉第很快回信，表达了对麦克斯韦赞扬和感激之情。

1861年麦克斯韦当选皇家学会院士。就在这时候，他见到了景仰已久的老前辈法拉第。当时法拉第已年届古稀，而麦克斯韦才刚到而立之年，相差整整40岁，但这并不妨碍两人成为惺惺相惜的忘年交。

麦克斯韦尊称法拉第为“导师”，并公开表示，法拉第的物理直觉甚至超越了传统的数学物理学家。当他带着自己的数学模型拜访法拉第时，法拉第鼓励他： “你不应停留于用数学来解释我的观点，而应该突破它！”法拉第的话大大地鼓舞了麦克斯韦，他立即以更大的热忱投入了新的战斗。1862年，麦克斯韦发表了第二篇电磁论文《论物理的力线》。文章不再是法拉第观点的单纯数学解释，而是有了创造性的引伸和发展。麦克斯韦引入了位移电流的概念，这是电磁学上继法拉第电磁感应提出后的一项重大突破。

麦克斯韦并未到此为止。他再一次发挥自己的数学才能，推导出著名的麦克斯韦方程组。1864年底，他发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学理论》。经过麦克斯韦创造性的总结，电磁现象的规律终于用明确的数学形式揭示出来。

论文中，麦克斯韦在法拉第的“力线”思想基础上进行了伟大的数学升华，首次系统性地陈列了包含20个变量和20个方程的早期电磁场理论。这些方程最后简化为麦克斯韦方程组（Maxwell's equations）：用四个优美的偏微分方程，描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间的关系，将电学、磁学和光学完美统一，被誉为“上帝写的诗篇”。

麦克斯韦方程组的四个方程作用分别是：1.描述电荷如何产生电场（高斯定律与库仑定律），2.表明磁单极子不存在（高斯磁定律），3.解释时变磁场如何产生电场（法拉第感应定律），4.说明电流和时变电场怎样产生磁场（麦克斯韦-安培定律）。麦克斯韦方程组每个式子都出现了向量微积分（也称多元微积分），而整个方程组也有积分形式、微分形式两种。事实上，这两种形式是完全等价的，只是两种不同的写法。

麦克斯韦还首次提出了“电磁波”的概念。认为，变化的电场会激发磁场，变化的磁场又激发电场。这种变化的电场磁场共同构成了电磁场，电磁场以横波的形式在空间传播，就是电磁波。他还推算出电磁波的传播速度，发现和光速非常接近，于是，他指出：“光与磁是同一物质的两种属性，而光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动。”

1865年春，麦克斯韦辞去教职回到家乡，系统地总结他关于电磁学的研究成果，完成了电磁场理论巨著《电磁通论》（A Treatise on Electricity and Magnetism），1873年出版。最终，一代天骄麦克斯韦完成了电磁学的理论大厦，被称为“经典电磁学之父”或“电磁理论的集大成者”。他将电、磁、光统归为电磁场现象，实现了物理学的第二次大统一，堪与牛顿实现的把天上和地上的运动规律统一起来的第一次大统一相比。

最后再比较一下，法拉第和麦克斯韦对构建电磁学大厦的贡献。

法拉第作为实验物理学家，为电磁学奠定了实验基础：他提出了革命性的“力线”（为形象描绘场的分布而想象出的线）的概念，认为电和磁不仅存在于实体物质之间，还存在于充满空间的力线中。由于数学功底薄弱，他的理论多为直观的几何图像。

麦克斯韦作为理论物理学家，意识到法拉第力线概念的伟大，随后运用高超的微积分和矢量分析能力，将法拉第的定性思想转化为严谨的麦克斯韦方程组。麦克斯韦为电磁学构建了数学框架，并通过方程推导，预言了电磁波的存在和光是一种电磁波。成功统一了电学、磁学和光学。他还预测可以在实验室中创造电磁波。麦克斯韦的电磁理论当时只有少数几个犹豫不决的支持者。大多数知名的物理学家并不赞同。当他的电磁波预言1887年被德国科学家赫兹证明后，科学界一片欢腾。由此麦克斯韦的理论和伟大贡献得到了全世界的公认。

爱因斯坦曾评价法拉第和麦克斯韦这两人的关系犹如“互补的拼图”。法拉第在去世前，终于看到了电磁学大厦的构建成功。法拉第-麦克斯韦电磁学为人类打开了变革自然、利用自然的空前广阔、空前美好的前景，创造了现代工业和现代文化的必要前提。

物理学史上认为牛顿的经典力学打开了机械时代的大门，而麦克斯韦电磁学理论则为电气时代奠定了基石，并启迪了无线电波的发现。他的科学工作为狭义相对论和量子力学打下理论基础，是现代物理学的先声，所以麦克斯韦也被誉为“现代物理学的先驱”。

麦克斯韦一生的科学成就不胜枚举，除了最为人所知的电磁学外，在色彩学、天文学、统计物理学、热力学和气体动力学等也有重要的发现。其中色彩理论部分，和牛顿以三棱镜分解太阳光不同，他在旋转陀螺上涂色（色陀螺），证明自然界的颜色都是由红、蓝、绿三原色混合成的，并在1861年应用三原色原理制作出全世界第一张彩色照片。他还发展了色觉的定量理论。

1871年，麦克斯韦受聘成为剑桥大学首任卡文迪许教授，主持筹建起座物理实验室，取名“卡文迪什实验室”。招聘来首批研究人员，奠定了这个实验室以后发展的基础。他成功整理并出版了科学家卡文迪许的研究成果，推动了实验物理学发展。1874年，卡文迪许实验室建成，由他担任第一任主任。

1879年11月5日，麦克斯韦因病在剑桥逝世，年仅48岁，葬于苏格兰西南部肯湖(Loch Ken) 湖畔帕顿（Parton，在他长大的格兰莱尔庄园西边不远）的一座教堂墓地，那里立着麦克斯韦纪念碑。

为纪念麦克斯韦对科学做出的巨大贡献，传递他淡泊名利、严谨治学的精神，爱丁堡成立麦克斯韦基金会，并将印度街14号作为麦克斯韦基金会的场所，供来自世界各地的科学家们交流，同时展览麦克斯韦的手稿和照片。

爱丁堡新城的乔治街东端竖有麦克斯韦的青铜雕像，底座两侧的浮雕分别描绘了牛顿的光学实验以及爱因斯坦关于扭曲时空的模型，象征着麦克斯韦在物理学史上承前启后的伟大地位。

支持单位：