中外科学家发明家丛书:麦克斯韦_2-第3节
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有关电磁学的伟大论文中，他仍然继续保持着这种技术分析水平，并且在物
理学和哲学的洞察力上具有划时代的进步。这些还表现在麦克斯韦同时期进
行的有关色视觉和气体力学研究上。
我们前面已经讲过，麦克斯韦喜爱玩两种玩具：提螺和活动画筒。活动
画筒引发了麦克斯韦对色彩的视觉的兴趣。在麦克斯韦以前，有一个名叫托
马斯·扬的人提出过有关色视觉的三感受器原理。早在几个世纪以前，画家
们就知道所谓的三原色，即红、黄、蓝，并且知道利用这三种颜色可以混合
调配出各种想要的颜色。然而当时人们对三原色和三感受器原理还存有疑
惑，因为牛顿断定并通过实验表示出来：棱镜光谱包含的原色是七种而不是
三种。
麦克斯韦早在1849年在爱丁堡的福布斯实验室就开始了色混合实验。在
那个时候，爱丁堡有许多研究颜色的学者，除了福布斯、威尔逊和布儒斯特
外，还有一些对眼睛感兴趣的医生和科学家。实验主要就是在于观察一个快
速旋转圆盘上的几个着色扇形所生成的颜色。麦克斯韦和福布斯首先做出的
一个实验是使红、黄、蓝组合产生灰色。他们的实验失败了，而其中的主要
原因是：蓝与黄混合并不象常规那样生成绿色，而是当两者都不占优势时产
生一种淡红色，这种组合加上红色不可能产生任何灰色。
接着，麦克斯韦又改进了他们的色螺旋盘，这是根据他的老师福布斯在
1849年的发明而发展起来的，它有两套不同颜色的着色纸，使用时灵活地在
盘上排列成可调整的扇形。当色盘旋转的时候，这些颜色就在眼睛中混合起
来。麦克斯韦还用了一套直径比第一套小的可调扇形，以便做出更为准确精
密的色比较。通过反复实验、比较，麦克斯韦根据各种颜色显露的角度，列
出色方程式。实验后，麦克斯韦正确地区分了三个新的光学变量——色彩（光
谱色）、色辉 （饱和度）、色荫（照度）。从而，麦克斯韦创立了定量色度
学这一学科，他证明：各种颜色都可由三种光谱刺激源的混合配成。并证实
了托马斯·扬关于色视觉的三个感受器的理论，证明了色盲的原因是一个或
多个感受器的无效。1868年，他研制了“色箱”，在生理视觉领域做出了非
凡的贡献，直到今天，在生理视觉学科中，人们还把人因特殊视觉效果产生
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于特殊区域的一条黑斑称为“麦克斯韦斑”，也算是对麦克斯韦在这一领域
工作成果的纪念。1861年，麦克斯韦在皇家研究院向听众们映示了第一张三
原色彩色照片，这无疑是光学领域的一个重要里程碑，为后来的光学研究和
彩色照片的诞生打下基础。
在马里斯查尔学院，麦克斯韦从事研究的另一个课题就是气体力学。他
之所以对这一题目有兴趣，是因为他在写《土星光环》论文的时候遇到了许
多与此有关的难题，所以他的倔强本性使他决定去突破它们，也正是这样，
他一生的大部分时光和精力都耗费在这一领域，直到他生命的最后两年。这
些我们将会在后面谈到。
在马里斯查尔学院的教书生涯中，麦克斯韦不是一个合格的老师，但是
在科学研究领域，他的才华渐渐发挥出来，他的研究方法也逐渐成熟、定型。
现在对他来说，物理学是要探讨的课题，数学则是他得心应手的工具。经过
了必要的题目的磨练，一旦找到了合适的课题，他就将显示出他的异彩。
在这段时期，1858年，麦克斯韦结婚了，新娘就是那个曾经给予他巨大
帮助的院长的女儿玛丽。在年龄上，玛丽比麦克斯韦大7岁，在后来，玛丽
仍然在科学事业上支持麦克斯韦，一心帮助丈夫进行色视觉和气体动力学实
验。麦克斯韦也深爱着妻子，1876年起，玛丽不幸患上了神经性疾病，麦克
斯韦在工作之余尽心尽力地照料她。
1860年初秋，马里斯查尔学院同阿伯丁的另一所大学皇家学院合并，合
并以后办学经费被削减，于是只好通过裁员来解决问题，物理学讲座因此取
消，麦克斯韦只好辞职，另谋生路。
麦克斯韦起初想到他的母校爱丁堡大学去谋职，因为那里他的老师福布
斯已退职，需要一个自然哲学教授。同时应选的有三个人，校方决定用考试
来决定录用谁。在笔试方面；麦克斯韦的学问理所当然是第一，但是在口才
上，麦克斯韦再次吃了亏。考试结果，麦克斯韦是最后一名，他的讲课能力
实在太差了。当时甚至爱丁堡的一家杂志都发表评论文章，为爱丁堡大学失
去这样一个人才而惋惜。不过被选上的人也不差，那就是他中学和大学的同
学泰特。
麦克斯韦离开阿伯丁，又因此离开家乡爱丁堡，他被聘为伦敦皇家学院
的教授，妻子也一同前往。麦克斯韦于是开始了新的生活，在伦敦皇家学院，
他完成了可以使他最终在物理学史上发射出光芒的电磁学理论。
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四、踏入电磁学的大门
电磁学是当时比较新的科学领域。
回顾电磁学的历史，物理学的历程一直到1820年的时候都是以牛顿的物
理学思想为基础的。自然界的“力”——热、电、光、磁以及化学作用正在
被逐渐归结为一系列流体的粒子间的瞬时吸引或排斥。人们已经知道磁和静
电遵守类似引力定律的平方反比定律。在19世纪以前的40年中，出现了一
种反对这种观点的动向，这种观点赞成“力的相关”。1820年，奥斯特发现
的电磁现象马上成了这种新趋势的第一个证明和极为有力的推动力，但当时
的人又对此捉摸不定和感到困惑。奥斯特所观察到的电流与磁体间的作用有
两个基本点不同于已知的现象：它是由运动的电显示出来的，而且磁体既不
被引向带电流的金属线，也不被它推开，而是对于它横向定位。同一年，法
国科学家安培用数学方法总结了奥斯特的发现，并创立了电动力学，此后，
安培和他的追随者们便力图使电磁的作用与有关瞬时的超距作用的现存见解
调和起来。
那是在奥斯特的发现后不久，安培发现两个电流之间也存在一种力，并
把所有的磁在起源上都是电的这一假说向前推进了一步。1826年，他建立了
一个公式，这个公式把已知的磁现象和电磁现象归结为一种平方反比力，此
力沿着两个间距为r的电流元idl、i′dl′的连线
ii' dldl'
Fii'
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于顺磁性与抗磁性的著作中，他提出了导磁性的概念。1852年，他写了一篇
富有建树的概念性论文，在这篇论文中，他对磁现象和电磁现象作了一般定
性描述，在描述中推广了邻接作用原理。他的推广基于以下假说，那就是：
磁力线具有使本身缩短和从旁侧互相推斥的物理性质。麦克斯韦工作的主要
功绩就是后来对这一假说进行了定量表述。
汤姆逊的贡献始于1841年，当时他还是一名剑桥大学的学生。他的第一
篇论文在静电学方程与热流方程之间建立起形式上的类比，通过适当的代
换，可将一个电学问题转换成热学理论问题。1845年，他在继续对法拉第的
观点进行研究时提出了第一个对电力线的精确的数学描述。在电学历史上，
汤姆逊的功绩是非凡的，他的方法和理论对麦克斯韦的研究有着举足轻重的
作用。他第一次提出了电象方法、磁力与弹性固体转动应变之间的第二个形
式类比，而最重要的是，随着他涉足热力学，还将能量原理应用于电学，作
了许许多多工作。
麦克斯韦的电学研究始于1854年，当时他刚从剑桥毕业不过几星期。他
读到了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。
在当时人们对法拉第的观点和理论看法不一，有不少非议。最主要原因就是
当时“超距作用”的传统观念影响很深。另一方面的原因就是法拉第的理论
的严谨性还不够。法拉第是实验大师，有着常人所不及之处，但唯独欠缺数
学功力，所以他的创见都是以直观形式来表达的。一般的物理学家恪守牛顿
的物理学理论，对法拉第的学说感到不可思议。有位天文学家曾公开宣称：
“谁要在确定的超距作用和模糊不清的力线观念中有所迟颖，那就是对牛顿
的亵渎！”在剑桥的学者中，这种分歧也相当明显。汤姆逊也是剑桥里一名
很有见识的学者之一。麦克斯韦对他敬佩不已，特意给汤姆逊写信，向他求
教有关电学的知识。汤姆逊比麦克斯韦大7岁，对麦克斯韦从事电学研究给
予过极大的帮助。在汤姆逊的指导下，麦克斯韦得到启示，相信法拉第的新
论中有着不为人所了解的真理。认真地研究了法拉第的著作后，他感受到力
线思想的宝贵价值，也看到法拉第在定性表述上的弱点。于是这个刚刚毕业
的青年科学家决定用数学来弥补这一点。
1855年，麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》。
论文分为两个部分，并有例子。论文的第一部分是对力线与不可压缩的流体
流线之间类比的解释。同汤姆逊对于该题目的处理比起来，这篇论文包含的
广度更大，而且它还包含一篇关于物理学不同分支之间类比的哲学意义的具
有启发性的公开演讲。这是麦克斯韦后来不止一次谈及的问题。在1856年2
月，他在剑桥使徒社俱乐部宣读了一篇题为《论自然界的类比》的论文，而
《论法拉第的力线》中就包含有这篇论文的很多观点。不过不同的是，作为
专门谈论类比问题的文章，《论自然界的类比》把论题放到了更为广泛的背
景之下进行讨论，文体虽然含蓄隐晦，但包含着科学哲学思想的闪光之处。
麦克斯韦受到康德的哲学观影响很深，他相信人的全部知识与其说是关于事
物的，不如说是关于关系的。麦克斯韦在类比方法中所看到的用处是两重的，
一是类比在不同领域间进行技术融合，二是类比是分析的抽象化与假说方法
之间一个极好的折中。在实际科学研究的工作中，麦克斯韦注意到，把电流
同象热传导与流体运动这样不同的现象类比，将使物理学家不致轻率地假定
“电不是像水那样的物质就是象热那样的骚动状态？”。类比是几何的类比，
是关系之间的相似性，不是有关事物之间的相似性。
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在《论法拉第的力线》中，麦克斯韦首先阐述了有关流体的性质，以便
于加以类比。他主要考虑到流体运动所通过的阻力介质，改进了流体动力学
类比的陈述。他认为，当不可压缩的流体从一种介质进入具有不同多孔性的
另一种介质时，流动是连续的，但在穿过边界时，压强差会增加。同样，当
一种介质用具有不同多孔性的的另一种介质替换的时候，由于在边界引入适
当的流体源，可以在形式上取得相同的结果。这些结果有助于计算，并有助
于说明磁性材料和电介质材料中发生的若干过程。
麦克斯韦把类比应用于磁学，根据前人的结果他区分了两个矢量：磁感
应力与磁力，后来他用符号B和H来表示。在流电学中，相应的量是电流密
度I和电场强度E。B和H之间的区别提供了描述“磁晶感应”的钥匙，磁晶
感应是法拉第在晶体磁性材料中观察到的一种力。麦克斯韦认为：这两个量
B和H同磁力的两个定义是一样的，对并行发展的静磁力理论和电磁理论有
着重大作用。因为在此之前，两个磁矢量B和H已经使很多科学家大伤脑筋，
而麦克斯韦的类比讨论所确定的结果使得这一问题豁然开朗。
电流与磁力线之间存在着极为相似之处，法拉第曾定性地看到这一点，
这也正是麦克斯韦论文第一部分结尾的论题。第二部分完全是涉及电磁学
的。在这个部分，麦克斯韦发展了关于电磁�
