囊括宇宙所有的电磁现象:麦克斯韦电磁理论的著作是「麦克斯韦电磁理论内容」

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电磁学启动了第二次工业革命。在电磁学建立的过程中，在法拉第之后，麦克斯韦的贡献最大，因为他建立了完整的电磁理论，预言了电磁波，同时，他还通过电磁理论统一了光学和电磁学，因为光就是一种电磁波。

变化的电场产生磁场，电场和磁场相互诱导产生了电磁波，电磁波的速度与光速一样，光也是电磁波。

本节就来聊一下集电磁理论之大成的麦克斯韦理论。

可以说，麦克斯韦是位于牛顿和爱因斯坦之间最伟大的物理学家。为什么这么说呢？因为麦克斯韦建立了完整的电磁理论。在宇宙中，电磁现象是继万有引力之后的第二个基本物理现象，或者叫作基本相互作用。电磁理论是基础理论，也是我们日常生活中用到最多的理论，无论是电力，还是电磁波通信、计算机等，都离不开电磁理论。

那么，麦克斯韦是如何做到的呢？

第一，他将法拉第的“场”的概念完整且彻底地用到了电磁现象中，从而让人们接受了“场”的概念。第二，他将法拉第的电磁感应现象进行了普及化推广。关于第二点，在这里要稍微解释一下。上堂课说到，法拉第发现磁场的变化会诱导出电场，而麦克斯韦发现，电场的变化也会诱导磁场的变化。麦克斯韦的这个发现比法拉第的发现晚了30多年，可见是一个相当难的发现。

变化的磁场产生电场

变化的电场产生磁场

轴上各点的电场方向和磁场方向

有了电场诱导磁场，麦克斯韦很快就预言了电磁波。

那么，如何理解电场变化也会诱导磁场变化呢？

这里我要先强调一下，法拉第的电磁感应现象，也就是磁场变化诱导出电场的现象，完全是一个实验发现。现在，对这个现象的一个最简单的实验展示，就是将一个磁铁从一个导线线圈中穿过，这时导线线圈就会产生电流。这是因为线圈中的电场驱动了导线中的电子。但是，法拉第当初的演示比这个复杂，他在一个圆环上绑了两组线圈，将其中一组线圈通上电后，这组线圈因为突然出现电流而产生了一个变化的磁场，于是，另一组线圈就产生了电流。

也许大家会说，麦克斯韦的电场变化导致磁场变化也可以做类似的实验啊。其实，很难做类似的实验。这是因为，若没有磁荷，就没有像电流一样的磁流去产生一个变化的电场。大家会问，电流不是会产生磁场吗？不错，这是奥斯特的发现，但电流不是变化的电场，电线中虽然有电荷在流动，但电线是中性的；电线中的电子向一个方向流，但电线中还有原子核的正电——它们不流动。所以，想要做一个类似法拉第的实验还真是挺难的。现在我们能够很容易地做出这样的实验，可以说是事后诸葛亮，因为这是在我们知道麦克斯韦发现的现象后做的实验。比如，拿一个电容器就能做这样的实验了。什么是电容器呢？就是两个平行的电板，让不同的电板分别带上正电和负电，让正电荷和负电荷变化，就会产生变化的电场了。

那么，麦克斯韦到底是怎么发现这个新现象的呢？

答案是你完全想不到的，麦克斯韦是通过数学发现这个现象的。1862年，他研究了法拉第的“场”的概念，之后试图将牛顿力学的方法用到“场”的概念上。牛顿认为，可以将力作用于物体产生加速度写出一个方程。因此，麦克斯韦发现，电荷产生电场也可以写出一个方程，电流产生磁场也可以写出一个方程，没有磁荷也可以写出一个方程，法拉第的变化磁场诱导电场也可以写出一个方程。就这样，一共出现了四个方程。



带电平行板电容器的电场线

这四个方程是麦克斯韦第一次写出来的，里面有四种东西：电荷、电流、电场和磁场。看到这里，大家可能觉得挺好，四种东西，四个方程。但麦克斯韦觉得不好，他发现，四个方程之间存在矛盾，它们不可能同时成立。他还发现，如果修改一下其中一个方程，即电流会产生磁场的那个，让电场变化也产生磁场，就没有问题了。就这样，历史上第一次有人通过纯粹的数学发现了一个物理现象。

麦克斯韦这组数学方程不仅预言了一个新现象，也就是变化的电场会产生磁场，还预言了一个新的存在——电磁波！

为什么这样说呢？假设想办法用电容器产生变化的电场，那么根据麦克斯韦理论，就诱导出了磁场。如果这个磁场也在变化，那么根据法拉第理论，又产生了电场。就这样，电场、磁场生生不息，同时还在变化，这就是电磁波。

如果你觉得还不那么直观，那么我们看看水波，水波就是水面上水的高度不断变化产生的现象。同样，每一个地方的电场和磁场都在不断变化，这不就是电磁波吗？

1862年，麦克斯韦在他的方程组里发现了电磁波。不仅如此，他还发现，电磁波的传播速度约为31万千米/秒，和当时测量到的光速差不多。于是，1864年，他做了第二个伟大的预言：光也是电磁波！虽然麦克斯韦的电磁波速度比真正的电磁波速度快了一点点，这是由于那时的实验误差所致。麦克斯韦的实验，并不是直接测量电磁波的速度，而是利用其他物理学常数预言电磁波速度，而这些物理学常数也需要实验来测量。

后来，德国物理学家赫兹在实验中第一次验证了电磁波的存在，验证了麦克斯韦的伟大预言。不过，赫兹在1888年发现电磁波的时候，麦克斯韦已经去世9年了。

到这里大家就可以理解为什么说麦克斯韦是位于牛顿和爱因斯坦之间最伟大的物理学家了。

接下来，我们谈谈麦克斯韦这个人。说来凑巧，麦克斯韦出生在法拉第发现电磁感应现象的那一年。虽然我们常说他是英国物理学家，但其实他出生在苏格兰。与法拉第不一样，麦克斯韦的家庭条件相当不错，他的父亲是个准男爵，因此他能够在16岁就进入爱丁堡大学学习。18岁的时候，麦克斯韦就发表了两篇关于物理学和数学的论文。没错，伟大的科学家往往是早熟的，所以，“出名要趁早”这句话在科学界也是成立的。说到这里，我想起了著名量子物理学家泡利的名言：“你怎么这么年轻还这么没有名气？”

麦克斯韦

在爱丁堡大学学习了3年，麦克斯韦觉得还不够，于是他又去剑桥大学学习了3年，并以第二名的成绩毕业。

麦克斯韦一生最大的物理学成就当然是他的完整的电磁理论，这个理论让我们受益至今。不仅如此，这个理论还催生了相对论，这要等我们讲相对论的时候再仔细谈。

除了电磁理论，麦克斯韦还有很多物理学贡献，其中仅次于电磁理论的，就是统计物理学了。我们在热学部分谈到了熵增，谈到了玻尔兹曼。玻尔兹曼用原子、分子的统计学解释了熵及熵增。其实，统计物理学的创立者不是玻尔兹曼，而是麦克斯韦。

麦克斯韦做了什么呢？他假设气体是由分子组成的，然后提出了一个问题：大量的分子在速度上是怎么分布的？麦克斯韦还是用数学得到了结果。不仅如此，他还设计了实验验证了这个名为麦克斯韦分布的理论。大家可能会问，分子不是到20世纪初才被证实的吗？麦克斯韦怎么可能验证这个结论呢？答案是，麦克斯韦的实验虽然不能看到一个一个的分子，却可以看到气体的浓度。

在电磁理论和统计物理学之外，麦克斯韦还有很多贡献。比如，他研究了天文学和力学，还研究了土星环。麦克斯韦不仅是理论家，也是实验家，他在剑桥大学创建了卡文迪许实验室，这个实验室走出的诺贝尔奖获得者比整个亚洲的科学诺贝尔奖获得者还要多。

当然，在麦克斯韦之后，德国物理学家赫兹对电磁学的贡献也是不可磨灭的。没有赫兹证实电磁波的存在，就没有我们今天的电子通信。