主题：【分享】光学简史：麦克斯韦的光电情缘

在光学的千年发展史中，麦克斯韦创立的电磁场理论无疑是一座难以逾越的高峰。没有电磁学就没有现代光学，就不可能有电气化和通信技术，也就不可能有现代文明。

只需要几分钟，了解麦克斯韦的一生，读懂一位杰出的天才。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是英国杰出的理论物理学家、数学家，经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一，他被誉为是继法拉第之后集电磁学大成的伟大科学家，与牛顿、爱因斯坦齐名。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

（1831-1879）

1831年，麦克斯韦出生于苏格兰首府爱丁堡。思想开放、思维敏锐、注重实际的机械设计师父亲，对麦克斯韦影响很大，使他较早地受到科学的熏陶。天资聪颖的麦克斯韦先后考进爱丁堡大学和剑桥大学学习数学与物理，毕业两年后就成为大学教授。他还规划筹建了后来举世闻名的学术中心：剑桥的卡文迪什实验室，成为第一任主任，主持该实验室工作多年。

1879年11月5日这位科学泰斗在剑桥逝世，年仅49岁。

天资过人的麦克斯韦在爱丁堡皇家学院就读时，就展露出非凡的才华。

他觉得爱丁堡大学安排的课程要求并不严苛，因此在空闲时间里通过自学来充分充实自己。尽管实验条件简陋，他还是投入大量精力于偏振光的研究上。

他对一系列明胶块施以不同的应力，然后将偏振光照射于其上，发现凝块中出现了彩色条纹，即光弹性现象。利用光弹性，人们可以确定物体中的应力分布。

麦克斯韦纪念邮票

短短三年时间，麦克斯韦就完成了四年的学业，前往剑桥继续深造。

麦克斯韦在1855年时即已研究电学和磁学，此时电磁学才走过了短短数十年的历程。

该年，他向剑桥哲学学会提交了《论法拉第力线》。在这篇论文中，他提出了法拉第在电学与磁学方面实验研究成果的数学模型，并阐述了电与磁两种现象之间的关系。后来，他又将当时的电与磁方面已有的研究成果整理为由二十个方程组成的微分方程组。这一成果1861年在《论物理力线》中发表。

麦克斯韦方程组不仅是电磁学的基本定律，也是光学的基本定律。麦克斯韦方程组将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来，成为经典电动力学主要基础。

同时，麦克斯韦基于法拉第提出的力线的概念引入了电磁场的概念，对于光的研究有了更进一步的发展。

1862年，在伦敦国王学院执教时，麦克斯韦利用已有的实验数据通过计算发现，电场传播的速度与当时测得光速非常接近。他认为这不只是一个巧合。在1862年发表《论物理力线》的第三部分中，他写到：

“我们难以回避这一推断，光与同种介质中引起电磁现象的横波具有一致性。”

经过对于这一问题的后续研究，麦克斯韦提出了电磁波方程。这一方程从理论上预言了当时还未发现的，由交变电磁场激发的电磁波的存在。

在1864年发表的论文《电磁场的动力学理论》中，麦克斯韦明确宣告他提出的理论可以称为“电磁场的理论”。他写到：

“这些结果的一致性似乎表明，光与磁是同一物质的两种属性，而光是按照电磁定律在电磁场中传播的电磁扰动。”

电磁学和光学因此联结成统一理论。麦克斯韦逝世九年后的1888年，德国物理学家海因里希·赫兹做实验发射并接收到麦克斯韦预言的电磁波，验证了电磁波的存在，电磁场理论取得了决定性胜利。

光的奥秘终于被揭开了。在近代科学史上，这是继牛顿统一物体相互作用和运动规律以后实现的第二次物理学大综合，深刻地影响了人们对物质世界的认识，也被认为是19世纪数学物理最伟大的成就之一。

麦克斯韦电磁理论的伟大无需多言，但他的电磁理论在他生前并未得到充分的重视。

在麦克斯韦去世的1879年，当他仍坚持不懈地宣传电磁波理论时，只有2个听众愿意听他上课，一个是来自美国的研究生，另一个是后来发明电子管的弗莱明。

也正是他去世的那一年，爱因斯坦出生了。

爱因斯坦一生对麦克斯韦极为推崇，他后来取得的很多研究成果（狭义相对论等），都离不开麦克斯韦的前期贡献。

麦克斯韦光辉灿烂的一生在和另一位天才的交相辉映中落幕了。