馬克斯威爾

馬克斯威爾在電磁理論上的貢獻

馬克斯威爾在電磁理論方面的工作可以和牛頓在力學理論方面的工作相媲美。 他以法拉第等人的工作為基礎，創造性的提出系統的電磁場理論，並預測電磁波的存在。他在這方面的工作主要是1854年到1865年其間發表的《論法拉第力線》、《論物理力線》和《電磁場的動力學理論》三篇論文及1873年出版的《電學與磁學論》一書。

1854年馬克斯威爾從劍橋大學三一學院畢業。這一年，馬克斯威爾23歲，他在學習法拉第《電學實驗研究》一書後，他覺得法拉第的電磁理論有獨到的見解，他非常欣賞法拉第的力線概念。法拉第是一位實驗大師，但數學不好，無法用精確的數學語言來表述他的物理思想。馬克斯威爾的數學很強，於是著手將法拉第的力線思想『翻譯』成數學，用數學來分析表述。

1855年，馬克斯威爾發表了《論法拉第力線》(On Faraday's Lines of Force)這篇論文。在這篇論文中，馬克斯威爾以數學形式說明了法拉第的力線思想，並由此推導出庫侖定律和高斯定律。

1860年，馬克斯威爾到倫敦拜訪法拉第。這是他們第一次相會，當時法拉第已經70高齡，而馬克斯威爾才年僅30，他們一起談力線、場、電磁現象和定律。法拉第非常讚揚馬克斯威爾這個年輕人，並鼓勵不要停留在這種『翻譯』的層次上，要突破現有的一些觀點，創立有系統的電磁理論。

1862年，馬克斯威爾發表了電磁研究的第二篇論文《論物理力線》(On Physical Lines of Force)，不但進一步發展了法拉第的思想，而且還得出了新的結果：電場與磁場互相轉化，並創造性的提出了『位移電流』的概念，預言電磁波的存在，指出電磁波是一種以光速在空間傳播的波，光也是電磁波的一種。

1864年，馬克斯威爾發表第三篇論文《電磁場的動力學理論》(A dynamical theory of the electromagnetic field)。在這篇文章中，他運用場論的觀點，建立了一套有系統的電磁理論。著名的『馬克斯威爾方程組』就是在這篇文章中提出的。

1873年，馬克斯威爾出版《電磁學通論》(Treatise on electricity and magnetism)一書，這是一本集電磁學大成的劃時代著作，全面總結了十九世紀以來電磁學成就，包括了杜費(Charles Francois du Fay,1698~1729) 、富蘭克林（B. Franklin，1706-1790）、伏特(A. Volta，1745-1827)、庫侖（C.A. de Coulomb，1736-1806）、歐姆(G.S. Ohm，1787-1854)、奧斯特（H.C. Oersted，1777-1851）、安培(A.M. Ampere，1775-1836)、法拉第（M. Faraday，1791-1867）、.......的心血，建立了一套完整的電磁理論體系，是一部足以和牛頓的《自然哲學的數學原理》相媲美的里程碑式的著作。

請進一步參考『從法拉第的力線到馬克斯威爾方程式 』

馬克斯威爾籌建卡文迪西實驗室

1868年底，劍橋大學指定一個委員會討論如何使物理教學達到最佳效果，委員會提議設置實驗物理教授及演示員的職位，並興建一座設備完善的物理實驗室。當時的劍橋大學校長威廉卡文迪西(William Cavendish, 1808~ 1891)，私人捐資興建這一間教學實驗室，以他的家族前輩亨利卡文迪西(Henry Cavendish,1731~1810)命名，於1871年馬克斯威爾接任實驗教授之後開始規畫籌建，由他親自設計與監工，在1874年建成。這個素有諾貝爾搖籃美名的卡文迪西實驗室，是一個教學實驗室，不僅讓物理教學能系統講授，並配合講授同時進行演示實驗，甚至學生也能動手做實驗。

馬克斯威爾還整理了一百年前亨利卡文迪西的電學手稿，親自重複每個實驗並作改進。馬克斯威爾非常重視實驗教學，他認為科學教育應立足於講授和基本感覺相結合，不僅要訓練學生的注意力、熟習數學與科學符號，也要訓練學生的眼睛敏銳、耳朵明快、觸覺靈敏和手指敏捷，將教學與可靠的客觀事實相連，使思考活躍起來。要鼓勵學生動手做實驗，即使做錯了也可從中找出有用的東西，這樣就能夠培養學生的探索精神和創造性。

繼馬克斯威爾之後，J.J.湯木生、拉塞福、布拉格等都接續帶領這個實驗室創造出不凡的成就。這幾位大科學家，不僅是卡文迪西實驗室的主任，也都擔任過皇家學會的會長。

more~讓實驗與教學出頭天的英國皇家學會與皇家科學院(有一段介紹卡文迪西實驗室)

go to 諾貝爾的搖籃卡文迪西實驗室

電磁理論之外的貢獻

除了在電磁領域的巨大貢獻外，馬克斯威爾在氣體分子運動論、統計物理學、熱力學、天體物理學及彩色圖像學方面都有突出的表現。

馬克斯威爾在氣體分子運動論、統計物理學、熱力學的成就，在此不贅述。1859年，他首次在分子運動論中引進機率觀點，導出氣體分子的速度分布定律，即著名的「馬克士威速度分佈」，此乃由分子運動論邁向統計力學的一個重要里程碑。

馬克斯威爾20多歲時就寫了一篇關於土星光環的論文，用數學推算出土星光環的成分。100多年之後，終於有太空船飛到了土星周圍，證實了馬克斯威爾的說法。馬克斯威爾經由數學計算，認為土星的光環不是整塊固體，也不是液體，因為這樣，由於引力和離心力的作用會使它分崩離析，因此推斷土星環應該是由一些小碎塊聚集而成。 

1871年馬克斯威爾受聘為劍橋大學物理學教授，並負責籌建該校第一所物理實驗室─卡文迪西實驗室，且於1874年開始擔任第一任主任。卡文迪西實驗室被稱為諾貝爾搖籃，是聞名全球的學術中心之一，這個實驗室培養出26位諾貝爾講得主，創造了科學界的一個奇蹟。 

英年早逝

1879年11月5日，馬克斯威爾因病去世，年僅48歲。

1887年，馬克斯威爾逝世後8年，他預言的電磁波被德國物理學家赫茲 (Hertz,H.R.1857-1894)用實驗證實了。1895年，馬可尼 (Marconi,1874-1937) 利用無線電來通訊，1901傳送無線電報成功的橫越大西洋。

十九世紀的電磁學和現在我們所讀的電磁學有哪些不同？

電磁作用力是「超距作用」？還是「近距作用」？

• 當時的電磁學說分成兩大派，一派以安培為代表，堅信「超距作用」，認為電力或磁力的作用可跨越空間，並不需要任何媒介；另一派則以法拉第為領袖，認為這兩種力是「近距作用」，亦即需要力線作為媒介。

• 以太

馬克斯威爾的位移電流

穿越時空遇上你～當馬克斯威爾遇到牛頓