麥克斯韋，到底有多牛？（那令人崩潰的麥克斯韋方程組就出自其手）

18~19世紀的歐洲，就像開了掛一樣，誕生了不計其數的天才科學家。

這些天才科學家取得的輝煌成就，奠定了現代學科的理論基礎，為20世紀人類科技的全面騰飛創造了條件。

以我們通信行業為例，目前我們最前沿的通信科技，不管是5G，還是Wi-Fi 6，都是基于電磁理論發展起來的技術。而電磁理論，就是18~19世紀奠基完成的。

我們今天這篇文章的主角，就是電磁理論的重要奠基人之一，大名鼎鼎的麥克斯韋。

麥克斯韋，全名是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell），英國著名物理學家、數學家。除了奠定電磁理論、開創經典電動力學之外，他還是統計物理學的奠基人之一。

麥克斯韋的生平往事

我們首先回顧一下麥克斯韋的整個人生歷程。

相比于小棗君之前給大家介紹過的其他大神，麥克斯韋的人生經歷可以說是非常平淡，既沒有大富大貴，也沒有大起大落。

1831年6月13日，麥克斯韋在蘇格蘭愛丁堡出生。他的父親是一位辯護律師，名叫詹姆斯·克拉克。之所以會多出一個“麥克斯韋”姓氏，是因為克拉克家族和麥克斯韋家族關系深厚，小麥克斯韋的曾祖母就來自麥克斯韋家族。小麥克斯韋他爹還繼承了麥克斯韋家族的一些地產。

幼年時期的麥克斯韋，雖然家境殷實，但因為口音濃重等問題經常遭到同齡人的嘲笑，所以性格比較孤僻，不太喜歡講話。他的教育，主要是由他的母親在負責。

8歲那年，麥克斯韋的母親患病去世，導致他變得更加沉默寡言。

不過，幸運的是，麥克斯韋的父親并沒有放棄對他的關愛，積極鼓勵和陪伴他成長。他父親發現，兒子經常畫一些幾何圖形，于是，親自教導他學習數學。

當時，他父親還聘請了一名家教對他進行指導。然而，這名家教對小麥克斯韋極為尖酸刻薄，經常責罵他遲鈍、任性。于是，他父親在1841年11月辭退了這名家教，將小麥克斯韋送到久負盛名的愛丁堡公學就讀。

這一期間，小麥克斯韋住在他的姨母伊薩貝拉家中。這位姨母對小麥克斯韋進行了悉心的照顧和教育，給他的人生造成了很多正向的影響。姨母的女兒，也就是小麥克斯韋的表姐，杰邁瑪，激發了小麥克斯韋在繪畫方面的興趣和熱愛。據不可靠消息，杰邁瑪也是小麥克斯韋的初戀對象。

15歲的時候，麥克斯韋在愛丁堡皇家協會學報上，發表了自己的第一篇論文——《卵形線》（Oval Curves），在當地引起了不小的轟動。

1847年，16歲的麥克斯韋如愿進入了愛丁堡大學。此時的他，是班上年紀最小的學生，但成績卻總是名列前茅。他專攻數學物理，同時也接受了實驗物理學、邏輯學等學科的嚴格訓練。

1850年，在征得父親同意的情況下，他轉入劍橋大學。起初，他就讀于彼得學院，后來，按個人意愿，轉入了三一學院。在三一學院，他獲選加入了劍橋大學秘密的精英社團——劍橋使徒。

在三一學院就讀時的麥克斯韋，手上拿的是自己發明的比色環。

1851年，他開始跟隨著名數學家威廉·霍普金斯學習數學。

1854年，也就是23歲的時候，麥克斯韋以第二名的成績從劍橋大學三一學院數學系畢業，留校任教。

1855年，麥克斯韋讀到了大神法拉第的著作《電學實驗研究》，被書中各種各樣的電磁感應實驗所吸引，正式開始研究電磁學，從此一發不可收拾（后面會詳細說）。

1856年，麥克斯韋來到蘇格蘭阿伯丁的馬歇爾學院，擔任自然哲學教授。當時他只有25歲，比其他教授至少年輕15歲。

1858年6月，麥克斯韋迎娶了馬歇爾學院院長丹尼爾·迪尤爾的女兒——凱瑟琳·瑪麗·迪尤爾（Katherine Mary Dewar）。凱瑟琳比麥克斯韋大7歲，個子也比麥克斯韋高，長相美麗且性格開朗。兩人婚姻生活非常和諧美滿、浪漫甜蜜，后來育有兩個女兒。

麥克斯韋和凱瑟琳

1860年，馬歇爾學院與阿伯丁國王學院合并成為阿伯丁大學。盡管麥克斯韋已有一定的影響力，但仍未爭取到新學校的自然哲學教授職位，而且申請愛丁堡大學相同職位也未成功。無奈之下，經人介紹，麥克斯韋到倫敦國王學院任自然哲學和天文學教授。

此時的麥克斯韋，進入了自己人生階段中最為高產的一段時期。他在電磁領域的幾篇重要論文，都發表于這一時期。1861年，麥克斯韋當選為倫敦皇家學會會員。

1865年，麥克斯韋辭去教職，和凱瑟琳一起回到家鄉格倫萊爾，開始系統地總結電磁學的研究成果。這一期間，他完成了電磁場理論的經典巨著——《電磁通論》，并于1873年出版。

1871年，麥克斯韋受聘為劍橋大學首任實驗物理學教授，并負責籌建該校第一所物理學實驗室——卡文迪什實驗室。

1874年，卡文迪什實驗室建成后，麥克斯韋擔任實驗室的第一任主任。

卡文迪許實驗室后來舉世聞名，對整個實驗物理學的發展產生了極其重要的影響，被譽為“諾貝爾物理學獎獲得者的搖籃”。

卡文迪許實驗室舊址，這里產生了29位諾貝爾獎得主。

后來的麥克斯韋，一直在傾力照顧自己生病的妻子（之前是照顧生病的父親），心力交瘁。沒過多久，自己也被查出患病。

1879年11月5日，麥克斯韋在劍橋因胃癌逝世，享年僅48歲。

此時，他剛剛完成第二版《電磁通論》前九章的修訂。值得一提的是，他的母親當年也是相同年齡因為相同的癌癥而去世的（也有說法是他母親死于肺結核）。

逝世后的麥克斯韋，葬于蘇格蘭西南部羅門湖（Loch Ken） 附近的一座教堂中。

麥克斯韋的墓碑

麥克斯韋的成就與貢獻

好了，接下來，我們來看看麥克斯韋的人生成就。

一直以來，在學術界和歷史界，麥克斯韋都被賦予了極高的地位。他的學術貢獻，被認為可以與牛頓、愛因斯坦比肩。

普通人可能會質疑，麥克斯韋真的有這么牛嗎？竟然可以和牛爵爺、愛神平起平坐？他不就是搗鼓了一個麥克斯韋方程組嗎？值得封神嗎？

Hoho，麥克斯韋之所以民間名氣不夠大，就是吃了麥克斯韋方程組的虧。

你看牛爵爺的三大定律，咱們中學的時候就能看懂。公式的話，說來說去，也就是圍繞著“F=ma”轉，非常簡單。

愛神的“相對論”嘛，反正大家都不懂，就知道很牛逼，就夠了。公式的話，E= mc 2 ，至少看起來簡單好記啊。

麥克斯韋的方程組呢，Duang，就是下面這個：

你看得懂不？記得住不？寫得來不？

也許你在大學的時候，曾經看得懂，我相信現在已經忘得差不多了吧？

上面這個，還是經過天才物理學家奧利弗·亥維賽“改良”的版本，原版的麥克斯韋方程組有20個方程式，更要命。

所以說，麥克斯韋屬于那種一般人看不懂他為什么牛逼，而專業人士明明知道他牛逼，卻解釋不清楚他為什么牛逼的類型。

麥克斯韋的生平極少發生八卦新聞，他的名字也沒有像安培、赫茲、特斯拉一樣，成為物理學單位，這都影響了他在普通人眼里的知名度。

其實，概括來說，麥克斯韋的最大貢獻，就是共同參與電磁理論的奠基，搞清了光、電、磁的真相，最終幫助人類駕馭了電磁波。

沒有麥克斯韋，就沒有電磁波的廣泛應用（或者說會晚很多年），不會有手機、無線電、廣播、微波爐、雷達、衛星、CT、B超……人類社會，完全會是另外一番景象。歷史的發展，也會是另外一種結局。

我們回顧一下電磁理論的誕生過程。

1820年，丹麥科學家奧斯特通過偶然發現的磁針偏轉現象，提出電流存在磁效應。

此后不久，畢奧和薩伐爾在大佬拉普拉斯的幫助下，提出了著名的畢奧-薩伐爾定律，可以算出任意電流在空間中產生磁場的大小。但是這種方法在實際使用的時候比較繁瑣。

再后來，安培發現了一個更實用更簡單的計算電流周圍磁場的方式，這就是安培環路定理。安培還總結了一個很實用的規律，用于判斷電流產生磁場的方向，這就是大家非常熟悉的安培定則（也就是右手螺旋定則）。

再再后來，大神法拉第出場，經過反復實驗，提出了電磁感應定律（1831年），引入了電場和磁場的概念（1837年），指出電和磁周圍都有場的存在，打破了牛頓力學“超距作用”的傳統觀念。

邁克爾·法拉第（1791~1867）

然而，法拉第是一位實驗物理學家，他小時候因為家庭窮困沒有受過正統教育，數學能力較弱，所以無法通過數學公式對自己的理論進行證明，一直為此耿耿于懷。

法拉第的著作——《電學的實驗研究》，從頭到尾沒有一個公式

在法拉第的默默召喚之下，上帝派來了數學兼物理雙料天才——麥克斯韋，幫助法拉第了卻心愿。

1855年，麥克斯韋發表了一篇論文——《論法拉第的力線》，第一次試圖將數學形式引入法拉第的力線概念，從而初步建立電與磁之間的數學關系。這篇文章引起了物理學界的重視，也得到法拉第本人的贊揚。

1862年，麥克斯韋發表了第二篇論文——《論物理學的力線》。在這篇論文中，他首次提出了“位移電流”和“電磁場”等新概念，對電磁理論給出了更完整的數學表述。

1864年，麥克斯韋發表了第三篇論文——《電磁場的動力學理論》。這篇論文中不僅給出了麥克斯韋方程，還首次提出了“電磁波”的概念。

麥克斯韋認為，變化的電場會激發磁場，變化的磁場又激發電場。這種變化的電場磁場共同構成了電磁場，電磁場以橫波的形式在空間傳播，就是電磁波。

麥克斯韋推算出電磁波的傳播速度，發現和光速非常接近，于是，他指出：“光與磁是同一物質的兩種屬性，而光是按照電磁定律在電磁場中傳播的電磁擾動。”

以上這些突破性進展，極大地驗證了法拉第的電磁感應定律，也讓法拉第可以不留遺憾地離開這個世界（1867年）。

法拉第是幸運的，但麥克斯韋卻沒有那么好命。

雖然麥克斯韋通過完美的數學公式奠定了電磁理論的基礎，但是，因為理論過于精深復雜，公式過于抽象，所以并未得到公眾的廣泛認可。

在牛頓力學仍占主導的那個時期，麥克斯韋的理論遭到主流學術界的抵制，年輕學者也很少有人愿意追隨他。

據說，在麥克斯韋去世那年，當他仍然堅持不懈地宣傳電磁波理論時，只有2個聽眾愿意聽他上課，一個是來自美國的研究生，另一個是后來發明電子管的弗萊明。

他逝世后，主流學術界依舊沒有接受他的理論。

一直到他逝世的9年后，1888年，年輕的德國物理學家赫茲，通過實驗首次證實了電磁波的存在，才真正驗證了麥克斯韋理論的正確性。麥克斯韋的貢獻和地位，得以被全世界承認。如果他泉下有知，也可以瞑目了。

海因里希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）

在科學史上，人們普遍認為，牛頓把天上和地上的運動規律統一起來，是“第一次”大統一，而麥克斯韋把電學、磁學、光學統一起來，是“第二次”大統一。

值得一提的是，后來愛因斯坦受麥克斯韋方程組的刺激，想要以同樣的方法統一力場，將宏觀和微觀的兩種力放在同一組式子中，實現最終的“大一統理論”，結果沒搞成。不然的話，這個世界估計又是另外一個樣子了。。。

此外，麥克斯韋的《電磁學通論》，作為電磁學經典著作，也經常被拿來和牛頓的《自然哲學的數學原理》（力學）、達爾文的《物種起源》（生物學）相提并論。

所有這些，都足以證明麥克斯韋的偉大。

上面所說的貢獻，還僅僅只是麥克斯韋在電磁理論方面的工作。除了電磁理論之外，麥克斯韋在光學、天文學、分子運動論和熱力學等諸多領域也有非常深入的研究，對后世產生了深遠影響。

例如著名的物理學四大神獸之一，麥克斯韋妖，就是麥克斯韋圍繞熱力學第二定律提出來的一個佯謬。

結語

回顧麥克斯韋出生和逝世年月，我們會發現兩個驚人的巧合——麥克斯韋出生的那一年，法拉第發現了電磁感應；麥克斯韋去世的那一年，愛因斯坦出生。

愛因斯坦一生對麥克斯韋極為推崇，他后來取得的很多研究成果（狹義相對論等），都離不開麥克斯韋的前期貢獻。也有人戲稱，愛因斯坦是麥克斯韋的隔世弟子。

1931年，在麥克斯韋誕辰一百周年的紀念會上，愛因斯坦評價麥克斯韋的建樹，是“牛頓以來，物理學最深刻和最富有成果的工作。”

量子論創立者普朗克也是麥克斯韋的忠實擁躉。他是這么評價麥克斯韋的：“他的光輝名字將永遠鐫刻在經典物理學的門扉上，永放光芒。從出生地來說，他屬于愛丁堡；從個性來說，他屬于劍橋大學；從功績來說，他屬于全世界。”

來自20世紀最偉大天才們的肯定，足以說明這位19世紀最偉大天才的價值。不是嗎？

責任編輯：haq