从牛顿到爱因斯坦这一阶段，谁是最牛的理论物理学家？

爱因斯坦本人给出的答案是麦克斯韦——“他的工作是继牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作。”

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），英国著名物理学家、数学家。他是经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。麦克斯韦方程组被认为可以比肩牛顿的引力理论和爱因斯坦的相对论。

今天是麦克斯韦诞辰191周年纪念日，我们就来聊一聊这位在民间或许不那么知名的牛人。

 

一、“平平无奇”的一生

麦克斯韦的一生称不上是一幅波澜壮阔的画卷，但他的经历依然可以用“开挂”来形容。

1831年6月13日，麦克斯韦出生于苏格兰爱丁堡的一个律师家庭，年幼的他已显露出色的数学才能。15岁时，麦克斯韦向爱丁堡皇家学院递交了一份科研论文，轰动一时。次年，初中毕业的他进入苏格兰最高学府爱丁堡大学学习。

在爱丁堡大学，麦克斯韦年纪最小，成绩却名列前茅。他专攻数学、物理，仅用三年时间就完成了四年的学业。1850年，怀揣更多求知欲的他转入了人才济济的剑桥大学三一学院。1854年，麦克斯韦以第二名的成绩毕业，并留校任职。

麦克斯韦对电磁的研究始于从剑桥毕业后不久。他精心研究了法拉第的《电学的实验研究》一书，被其中新颖的实验和见解深深吸引。在认识到法拉第观点的宝贵和不足后，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》。

1856年，年仅25岁的麦克斯韦离开剑桥，来到苏格兰阿伯丁马歇尔学院任自然哲学教授。在这里，他收获了自己的爱情和婚姻。1858年，麦克斯韦和大他7岁的院长女儿凯瑟琳·玛丽·迪尤尔（Katherine Mary Dewar）结婚。

1860年，麦克斯韦到来伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授，次年当选伦敦皇家学会会员。任职期间，他发表了多篇电磁领域的重要论文，比如《论物理的力线》（1861-1862）、《电磁场的动力学理论》（1864.12.8）。

1865年，麦克斯韦辞去了皇家学院的教席，回到家乡潜心科研，系统总结电磁学的研究成果，完成了电磁场理论经典巨著《电磁理论》，并于1873年出版。该书总结前人成果，系统、全面、完美地阐述了电磁场理论，是经典物理学的重要支柱之一。

这期间，麦克斯韦还在剑桥大学筹建了卡文迪什实验室。1874年实验室建成。未来，这里会走出29位诺贝尔奖得主。

1879年，麦克斯韦因胃癌去世，年仅48岁。这一年，爱因斯坦出生了。

 

二、完美的麦克斯韦方程组

提到牛顿，我们会想到∑F=ma；提到爱伊斯坦，我们会想到E=mc²。而提到麦克斯韦呢？

在英国科学期刊《物理世界》2004年举办的一个让读者评选“科学史上最伟大的公式”活动中，麦克斯韦方程组力压牛顿第二定律、勾股定理、质能方程、欧拉公式、薛定谔方程等，成为榜首。

这个统一电与磁的方程组到底有何奥妙？

那还要从电磁统一之路说起。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，即电能生磁；不久后，法国物理学家A.安培以安培环路定理实现了电流周围磁场的计算。

那之后11年的1831年，英国物理学家法拉第发现了磁生电的规律，即电磁感应定律——变化的磁场是可以产生电场的。

至此，关于电磁现象的三个最基本的实验定律：库仑定律（1785年）、毕奥-萨伐尔定律（1820年）、法拉第电磁感应定律（1831-1845年）已被总结出来。

然而关于电与磁，还有很多问题没有解决。比如安培环路定理只能处理电流周围表示磁场的情况，但如果没有电流呢？变化的电场能否产生磁场？此外，法拉第著作《电学的实验研究》一个数学公式都没有，如何得到证明？

1855-1865年，天才的麦克斯韦全面审视了前人的研究成果，将数学分析方法引入电磁学研究，不仅给出了一套完美的数学方程，还首次提出了“电磁波”的概念。在1873出版的巨著《电磁学理论》中，麦克斯韦将全部电磁学理论用简明、对称、完美的数学形式表达出来，这就是麦克斯韦方程组。

然而，当时牛顿力学仍占主导，麦克斯韦的思想远远超出他生活的时代，只有少数几个支持者。一直到他去世后9年，1888年德国物理学家赫兹首次证实了电磁波的存在，验证了麦克斯韦理论的正确性。

至此，由法拉第开创、麦克斯韦建立、赫兹验证的电磁场理论向世人宣告了它的胜利。

麦克斯韦方程组实现了自牛顿以来物理学的又一次伟大综合，他为无线电技术奠定了基础，也让电磁波走进千家万户的生活。

爱因斯坦一生推崇麦克斯韦，他在麦克斯韦方程组的启发下，试图对量子力学和宏观力学进行统一，然而并未成功。1931年，在麦克斯韦百年诞辰的纪念会上，爱因斯坦评价其建树是牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作。

麦克斯韦看似波澜不惊的一生，却助推现代文明的波涛汹涌而来。

量子力学的创始人之一普朗克曾这样评价他：

“从出生地来说，他属于爱丁堡；从个性来说，他属于剑桥大学；从功绩来说，他属于全世界。”

 

三、科技变革推动社会进步

麦克斯韦曾说：“把数学分析和实验研究联合使用所得到的物理知识，比之一个单纯实验人员或单纯的数学家能具有的知识更坚实，有益和巩固。”

随着时代的发展，经典电磁理论无法满足所有现代工程的需求，越来越多的问题需要更复杂的数学技巧。20世纪60年代之后，伴随电子计算机技术的发展，计算电磁学研究领域逐渐形成，并成为现代电磁理论研究的主流。

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