实验和方程物理添双翼

在科学史上，一个重要理论的发现与建立，往往需要几代人的艰苦奋斗。19世纪，导致物理学史上爆发一场革命的电磁理论的建立，就经历了这样一个过程：法拉第为电磁波的发现奠了基，麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹用实验证明了电磁波的存在。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（图4-10）是英国著名的理论物理学家和数学家。1860年的秋天，麦克斯韦去英国皇家学院任教，有机会拜访法拉第。当时法拉第已年过七旬，麦克斯韦比他小40岁。他们师生之间一见如故。4年前，法拉第就看过麦克斯韦的《论法拉第的力线》-文，他怎么也没有想到文章的作者竟这样年轻。当麦克斯韦征求他对论文的看法时，这位科学巨人对麦克斯韦说：“我不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人。”法拉第沉思了一会又接着说：“你不应该停留在用数学来解释我的观点，你应该突破它！”法拉第以自己渊博的学识和高尚的情操鼓舞着麦克斯韦在科学的道路上勇攀高峰。

（图4-10）麦克斯韦

麦克斯韦在分析了法拉第对介质的研究以后，确认在电场变化着的电介质中，也存在电流，他把这称做“位移电流”。另外，他还通过周密的计算，了解了这种电流的速度为“每秒310 740千米”。麦克斯韦惊奇地发现，他计算出的“位移电流”（即电磁波）的速度与12年前由菲索测出的光速每秒314 858千米相当接近。为此，他兴奋得几夜都没有睡好觉。妻子又帮助他进行了仔细的核对，计算数据确实准确无误。这就意味着他计算出的电磁波的传播速度同光速是相等的。1862年，麦克斯韦发表了《论物理的力线》，其中提出了“位移电流”这一概念。在此基础上，他导出了著名的麦克斯韦方程。

麦克斯韦继续向电磁学领域的深度进军，1865年又发表了《电磁场动力学》。在这篇文章中，他采用法国数学家拉格朗日和爱尔兰数学家哈密顿创立的数学方法，推导出电场和磁场的波动方程；根据波动方程进行计算，电磁波的传播速度正好等于光速，同4年前推算的那个值完全一样。到这时，他大胆地断定，光也是一种电磁波。

1870年2月1日麦克斯韦《电磁理论》出版，这部巨著标志着经典电磁学理论体系的形成。书中，麦克斯韦系统地总结了人类在19世纪中叶前后，对电磁现象的研究成果。从库仑定律的发现到麦克斯韦方程组的建立做了全面系统的阐述，并且进一步证明了方程组的解是唯一的，从而向人们展示了方程组是能够完整而充分地反映电磁场的运动规律的。

麦克斯韦的理论引起了德国年轻的物理学家赫兹的极大兴趣。赫兹用自己发明的电波杯进行了一系列的实验，终于在1888年发现了人们期待已久的电磁波。从此，麦克斯韦的天才预言终于“被同样是天才的实验证明了”。赫兹的实验公布以后，轰动了世界科学界。赫兹的发现具有划时代的意义，是近代科学技术史上的一座里程碑。他的发现不仅证明了麦克斯韦所发现的直理，而且促成了无线电技术的诞生，开辟了电子技术的新纪元。

法拉第、麦克斯韦、赫兹的名字永远和电磁理论连在一起，载入史册，光耀后人。

科学小链接

库仑定律

库仑定律是电磁场理论的基本定律之一，指的是真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线，同名电荷相斥，异名电荷相吸。