在科学史上，一些重大的理论，常常要靠许多人的前赴后继、不辞劳苦的努力，才能创立起来。19 世纪，导致物理学爆发一场革命的电磁理论的创立，就是这样的。从奥斯特、安培发现电流的磁效应开始，经过法拉第的奠基，到理论的完成，前后经历了半个多世纪。最后完成这个理论的人，是英国杰出的数学家物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

与众不同的另类少年

1831 年11 月13 日，麦克斯韦出生在苏格兰古都爱丁堡。父亲是个热衷于技术和建筑设计的律师，思想开通，非常能干。家里的大小事情，从修缮房屋、剪裁衣服到制作玩具，他样样都会做。他在爱丁堡附近的乡下有座庄园，麦克斯韦的童年就是在这座庄园里度过的。这个孩子从小喜欢思考问题，跟着父母出去玩，一张小嘴总不停地提出各种各样的问题。沿途所见，从路边的桑树、脚下的石块，直到行人的衣着、表情，都成了他发问的内容，比如“树木为什么向天上长”呀，“蚂蚁会不会说话”呀。

父亲见儿子对自然感兴趣，非常高兴，后来就带他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座，当时他的个头还没有讲台高呢！

麦克斯韦童年的欢乐是短暂的。他8 岁那年，母亲患肺结核不幸去世。麦克斯韦失去母爱，性情渐渐变得孤僻、内向。他最大的快乐，是形影不离地跟着父亲走，给父亲当个小小的帮手。

麦克斯韦10岁那年，进了爱丁堡中学。由于麦克斯韦一直在乡下生活，讲话有很重的乡土音。每次开口回答问题时，都会引起哄堂大笑。更糟的是，他的衣服全是父亲做的，与众不同，这些“奇装异服”让他成了一只“丑小鸭”，处处被排挤，受讥笑。但是，麦克斯韦照样穿着父亲做的衣服进出课堂。他为了保持服装的整洁，常常要用拳头自卫。

谁也没有想到，到了中年级的时候，奇迹出现了。一次，学校里举行数学和诗歌比赛，评选揭晓时爆了个大冷门：两个科目的一等奖都由同一个人获得，他就是麦克斯韦！这不但使全班同学惊奇得睁大了眼睛，连任课老师也感到意外。他们这才发现，这只灰色的“丑小鸭”原来是一只白天鹅。

这次比赛改变了麦克斯韦在班里的地位，同学们开始尊敬他，向他请教疑难问题。麦克斯韦成为全校拔尖的学生，获得了许多奖励。

麦克斯韦的才华，使他很快突破了课本的界限。他还没满15岁，就写了一篇数学论文，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上。一个最高学术机构的学报刊登孩子的论文，是罕见的。论文的题目，是讨论二次曲线的几何作图。据说这个问题，当时只有大数学家笛卡尔曾经研究过。

麦克斯韦不但是个少年科学家，而且还是个小诗人。不过，他从来没有想过要当一个诗人。他的诗多半是即兴的作品，他常常在亲友们欢聚时朗读自己的诗。

麦克斯韦在中学时代，还喜欢玩陀螺。据说他一生都爱玩陀螺，还教他的许多朋友玩过。另外，对一种叫做活动画筒的玩具，他也有强烈的兴趣。麦克斯韦的这两种爱好，不单纯是为了娱乐，主要还是为了探索科学的道理。这两种玩具的原理，后来都被他应用到科学上去了。

1847 年，16 岁的麦克斯韦中学毕业，进入爱丁堡大学，专攻数学和物理学。他是班上年纪最小的学生，书包里揣着陀螺和诗集，很快引起全班的注意。除了学习必修的功课，他还开始自己搞研究，选题范围涉及光学、电化学和分子物理学三个领域。这对锻炼他独立思考的能力起了很好的作用。不久，他在《爱丁堡皇家学会学报》上又发表了两篇论文。

爱丁堡大学给麦克斯韦留下了良好的回忆。在这里，他获得了登上科学舞台所必需的基本训练。为了进一步深造，1850 年他转到剑桥大学学习。

把数学作为“武器”

剑桥的生活紧张又富有挑战性。次年，麦克斯韦成为地球物理学家霍布金斯私人班级的第15 名学生。霍普金斯学问渊博，培养出了不少人才，威廉·汤姆生（开尔文勋爵）和数学家斯托克斯都是他的门下。霍布金斯把数学作为科学武器的思想也深刻地影响了麦克斯韦，使麦克斯韦在广阔的物理学领域找到了数学天才的用武之地。4年后，麦克斯韦以优异的成绩，获得了第一个学位。

1855 年，麦克斯韦从剑桥大学毕业后，留校成为三一学院的研究员。他把数学运用于物理学，专心致志地研究理论力学和应用力学、光学、有色视觉生理学。他出色地揭开了土星光环之谜，用数学方法论证了光环是由无数单个微粒构成的小行星带。

在1859 年9 月21 日的不列颠促进科学进步协会上，麦克斯韦做了题为《关于气体动力理论的说明》的报告，提出了著名的分子运动速度分布律，纠正了前辈学者在这方面的错误。伯努利和克劳修斯曾认为，在一定温度下的气体，所有分子的“平方”速度都是相同的。但麦克斯韦得出结论说：“微粒运动速度分布律与‘最小二乘法’理论的观察误差律相同，即符合高斯的统计学。”这个报告初次把统计学用于描述物理现象，标志着新的科学发展时期的来临。

麦克斯韦几乎毕生都在有计划地、一步一步地发展着关于电磁场的杰出思想，使之达到完善的程度。早在读大学时，麦克斯韦便被法拉第的《电的实验研究》所深深吸引，最早认识到法拉第的理论的独创性，意识到法拉第在描绘力学图景时解决电动力学问题的方法。但是，法拉第虽然发现了电磁感应定律，揭示了电与磁的相互联系与转化，但没有给出一个综合的、统一的理论。这与法拉第本人在数学方面的缺陷有关。他没有受过数学训练，缺乏数学技巧，因而不能把电学思想用严密的数学公式表达出来。

麦克斯韦决定用数学方法研究法拉第的数学假设，弥补法拉第电磁学说在表述方面的弱点。他效法法拉第设计了力线的流体动力模型，广泛应用力学类比，把法拉第关于力线的思想表述为一个矢量微分方程，为确立力线在物理学中的地位起了十分重要的作用。这一阶段的研究成果反映在他的《论法拉第的力线》一文中。

1860 年，麦克斯韦特意去拜访了他崇拜已久的实验大师法拉第。“这是一篇出色的论文。”法拉第指着《论法拉第的力线》说，“但是，你不应该停留在用数学来解释我的观点，你应该突破它！”

法拉第的话像一盏明灯，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。他马上用最大的热情投入新的战斗。

麦克斯韦设计了一个法拉第力线研究理论模型，从力线学说研究入手，深入探究“场”的理论。他从变化着的“场”产生另一个“场”的事实中推断出，变化的电场在其附近产生一个磁场，这个变化的磁场又在稍远一点产生电场，如此继续下去，就得到一个电磁的振荡着的“场”，不断地向空间扩展，这就是电磁波。麦克斯韦还应用应力、变形、压力、涡动及其他概念，得

出了当时尚未成体系的方程式，并且在观察电解质中的电现象时提出了关于位移电流的著名假设，于1862 年发表了第二篇电磁论文《论物理的力线》，从理论上预见了电磁波的存在。

1864 年，麦克斯韦出版了《电磁场的动力学理论》一书，把电磁场明确地定义为是一种物质，并运用矢量分析和微分方法，把它的全部表现形态用20 个带可变数的方程式表述出来。后来，科学家用这些方程式建立了精密的麦克斯韦方程组。通过方程组，可导出一系列不同波长和频率的电磁波，并由于波长的量变引起了波特性和功能的质变。诸如在这之前就已发现的红外线、可见光、紫外线，在这以后陆续被发现的x 射线、微波和超短波、中波、长波等无线电波，都属于电磁波，都可以从这组奇妙的方程中找到各自的位置。正因为如此，1864年被确定为电磁场理论的诞生年。

由于健康情况恶化，麦克斯韦决定停止教学工作并离开伦敦。从1865 年起，他埋头自己的庄园，用了整整7 年时间写成后来成为新学说“圣书”的两卷本《电磁学通论》，它与牛顿的《数学原理》及达尔文的《物种起源》相比毫不逊色。

但是，电磁理论问世以后，在相当长的时间里没有得到承认。包括一批有威望的科学家，对还没有被证明的新理论，都采取观望态度。劳厄在《物理学史》中曾经这样评论说：“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性，并且和一切经验相符合，但是只能逐渐地被物理学家们接受。它的思想太不平常了，甚至像赫尔姆霍茨和波尔茨曼这样有异常才能的人，为了理解它也花了几年的力气。”

创建卡文迪许实验室

1871 年，剑桥大学诚邀麦克斯韦到实验物理教研室任教，为教研室筹建卡文迪许实验室。这个实验室在20 世纪初培养了大批核物理学方面的优秀人才。即使在20 世纪80 年代以来，这个实验室仍处于物理科研前列，完成了一系列晶体物理成分和蛋白质物理成分的探索工作，取得了显著的成就。

筹建卡文迪许实验室的工作繁重而琐碎，麦克斯韦常被搞得身心交瘁。1879 年11月5 日，正处生命和学术英年的麦克斯韦撇下心爱的科学事业，离开了人世，终年只有49 岁。物理学史上一颗可以同牛顿交相辉映的明星陨落了。

他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，可是他的功绩，在他活着的时候却没有得到人们重视。这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第，直到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在以后，人们才意识到，并且公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。