麦克斯韦的电磁理论,是人类知识宝库中一份博大精深的科学遗产,在历史地位上完全可以和牛顿的力学相提并论,对物理学的发展有着极其重大的意义。然而,任何伟大的理论都需要实践的检验,才能确认其正确与否。麦克斯韦的电磁理论也面临着挑战。他著的专著,虽然被抢购一空,但是真正读懂它的人却寥寥无几。德国物理学家劳厄在《物理学史》中曾经这样评论:“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,但是他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玻尔兹曼这样有异常才能的人,为了理解它也花了几年的力气。”的确,麦克斯韦的理论太高深太抽象了。单是麦克斯韦微分方程就包罗了电荷、电流、电磁、光等自然界一切电磁现象的规律,这些在专业研究人员眼里都是十分复杂的问题,想要一般的人来理解确实是不可思议。关键还有一个更为重要的原因是自从麦克斯韦宣布了他的理论并预见有电磁波后,一直没有人发现电磁波。电磁波到底存在不存在,是检验麦克斯韦理论的关键。在没有发现的年代,尤其是牛顿的超距思想仍占主导地位的年代,许多物理学家,也包括一些很有名望的物理学家,都抱着怀疑至少是观望的态度。就连从前给过麦克斯韦很多帮助对电学很有研究的威廉·汤姆逊,也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠。因此,他的理论尽管问世,在相当长的时间里没有得到承认。
想想麦克斯韦的一生中被人不理解的事情太多了。中学时期,他的服装同学们不理解,被人称为丑小鸭;大学时期,他的语言被人不理解;工作以后,他的理论又不被理解……麦克斯韦默默忍受着这一切,以无声的争辩,脚踏实地做着自己该做的一切。由于种种原因,他本人也没有去证实自己的理论。他主要是个理论物理学家,就像他的学生弗莱明后来所说的那样,“他从理论上预言了电磁波的存在,但是好像从来没有想到过要用什么实验去证明它。”留给后人做吧,麦克斯韦还有许多事情要做。
事实上,麦克斯韦的伟大成就不单单是在电磁领域,他在许多方面都作出了杰出贡献。如:热力学、分子运动论、天文学、统计物理学、色觉理论,等等。这里不妨简介一二。
麦克斯韦对分子物理学的研究,十分出色,对于经典统计物理理论的建立起到了重要的作用。他与玻尔兹曼共同提出了“各态经历假说”。这个假说是:“当力学体系从任一初态开始运动后,只要时间足够长,所有在能量曲面上的一切微观运动状态都要经过。”在平衡态的统计理论中,麦克斯韦和玻尔兹曼提出了“麦玻分布律”。1859年,麦克斯韦还根据数学统计的方法,导出了分子运动的麦克斯韦速度分布律。对非平衡态的统计理论提出了“平均自由程”的概念。
在天文学研究中,麦克斯韦于1859年根据星云假说,从数学上对土星光环进行了分析,证明了不管从什么天体抛出一个气态物质环,都只能够凝缩成如土星环那样的小粒子集合体,决不会形成一个固体行星或卫星。
除了具体的、专门性的科学研究以外,麦克斯韦还做了大量的、有创造性的文献整理工作和科学管理工作。他的一生共写了大约100余篇论文,撰写了4部科学著作。他担任《大英百科全书》第九版的科学编辑,为该书撰写了许多条目。他整理出版了卡文迪许的遗著,并加上了许多很有创见的评注。
特别值得一提的是他对卡文迪许实验室的筹建和领导工作。在他一生的最后8年,他把大部分精力用到了这一方面。这座实验室在1872年破土动工,到1874年完全竣工,是一位鼓励科学的公爵捐钱修建的。为了办好实验室,麦克斯韦鞠躬尽瘁,有时也用自己为数不多的积蓄购买实验设备。他耗尽了心血,事无巨细都亲自过问,甚至连大门上的题词也不例外。他是实验室的创建人,也是第一任主任。他考虑到实验的具体需要,把实验室设计得别出心裁,甚至一度引起某些人的异议,但他的努力和热诚终于消除了某些人的歧见。他要求实验测量的精密性,不赞成工作中因陋就简。在他的严格要求下,有好几种基础实验的精确度都被提高了好几个数量级。卡文迪许实验室后来成为世界上著名的物理实验室,从这里走出了一批优秀的科学人才。
每天清晨,人们都能看到一位稳重的学者牵着一条大狗向实验室走来,待他检查完一切工作以后,又匆匆离去。熟悉这里的人们知道麦克斯韦教授散步离不开狗,实验也离不开它,它几乎是卡文迪许实验室的标志了。而麦克斯韦沉思时又总是下意识地把手放在坐在身边的狗的身上不时地抚摸着,小声地呼唤着狗的名字……
麦克斯韦最后几年的主要工作都放在了处理实验室的日常事务和整理卡文迪许留下的遗稿上。为了完成这项工作,麦克斯韦做出了巨大的牺牲,耗尽了精力。除此之外,他每学期都要主讲一门课,内容是电磁学或者热力学。遗憾的是这位著名的教授在讲台上好像从未交过好运气,他的听众不多,他本来就不擅演讲,况且所讲电磁理论又是那样的深奥呢!但他从未放弃过宣传科学的真理。1878年5月,他举行了一次有关电话的科普讲座。他似乎从这新生事物中预感到:将来总有一天他的理论会给这些发明插上双翅,传遍全球。
麦克斯韦的后期生活十分不幸,他的妻子久病不愈,牵扯他许多精力,有时为了照顾妻子,他曾经整整几夜未合眼。他的皱纹增多了,他的脸庞更清瘦了。过分的焦虑和操劳,终于影响了他的健康,曾经夺去了他母亲的肺病又来缠绕着他。这位坚强的学者丛毫没有放弃过与命运的抗争。他挺起胸膛,坚定地走上讲台。这是怎样一幅令人慨叹的情景啊!
空旷的阶梯教室里,只有前排坐着两名学生,他知道学生们听不懂他的思想,一个个都自动缺席了。他侧身问这两个学生:“你们为什么不走呢?”一位学生恭敬地站起说:“先生的理论我能听懂,太完美和谐了,简直是一门自然美学。”这个学生就是后来发明了电子管的弗莱明。另一位说:“走的人里也有能听懂先生的理论的。但是他们说,现在还没有人用实验找见电磁波,所以也就不相信、不愿听了。”
麦克斯韦说:“会发现的。理论总是要超前一步的。牛顿1687年公布万有引力,勒维烈1846年才找到海王星,过了159年。我相信电磁波的发现不会再等100多年了。”麦克斯韦翻开讲义,仿佛不是面对两个听众,而是面对着全世界、面对未来宣讲自己的理论。
1879年11月5日,麦克斯韦病逝,终年只有48岁。英年早逝,令人痛惜。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路,他为世界物理学的发展作出了不可磨灭的贡献。然而,在他生前,人们没有认识到这点,他所获得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”。
1888年,德国的青年物理学家赫兹进行了一次巧夺天工的实验——探测电磁波!
赫兹在老师赫尔姆霍茨的影响下,对电磁学进行了深入的研究。在比较已经知道的物理学理论以后,他确认麦克斯韦的理论比各种“超距学说”更令人信服。他决心用实验来检验电磁波是否存在。
他设计了电波环,环的两头分别连着金属球,他将两个金属小球调到一定的位置,中间隔一小段空隙,然后给他们通电,只要尺寸和位置都合适,电波环两个小球中间就有电火花闪现。这说明小球间产生了电场,那么按照麦克斯韦的方程,电场再激发磁场,磁场再激发电场,连续扩散开去,便有电磁波传递。最好有个装置能够接收它。他在离金属球4米远的地方放了一个有缺口的铜环,如果电磁波能飞到那里,那么铜环的缺口间也应有电火花出现。他将一切设计完毕,去按电键。果然,缺口处蓝光闪闪,是电磁波在运动!赫兹不愧是一位伟大的实验家,他通过实验,算出了电磁波的波长,接着又计算出它的速度每秒30万公里,正好等于光速!接着又证明电磁波具有反射、折射、衍射、偏振等光波所具有的各种特性。麦克斯韦的理论得到了彻底的证实,从法拉第到麦克斯韦再到赫兹,两位实验物理学家与一位理论物理学家巧妙的配合终于完成了这一伟大的发现。它比海王星的发现更令人赞叹不已。
赫兹的实验公布后,轰动了全世界的科学界。电磁理论由法拉第开创,麦克斯韦总结,再由赫兹证实,到这个时候才取得了决定性的胜利。只可惜,麦克斯韦没能等到这一天,不过,这位伟大科学家的遗愿终于实现了,他可以含笑九泉了。
赫兹的发现具有划时代的意义,它不但证明了麦克斯韦发现的真理,更重要的是导致了无线电的诞生,开辟了电子技术的新纪元。理论只能解释世界,它只有回到实践中来才能够改造世界。电磁波的发现所产生的影响是十分巨大的,这一点连赫兹本人也没有料到。它是19世纪科学史上一次振奋人心的革命,它使近代科学技术发生了极其深远的变化。6年之后,意大利的马可尼、俄国的波波夫就分别实现了无线电传播,并且很快投入使用。其他无线电技术,也像雨后春笋般地涌现出来。无线电报、无线电广播、无线电导航、无线电话、短波通信、无线电传真、电视、微波通信、雷达以及遥控、遥测、卫星通信、射电天文,等等,都是这个变革的产物,整个物质世界发生了深远的变化。
麦克斯韦以他短暂的一生,建立了不可磨灭的功勋。他卓越的才能和高深的理论,为现代物理学的创立和发展奠定了坚实的基础。他的英名将和电磁理论一样永垂不朽!