智慧之窗: 麥克斯韋的電磁定律

2018年8月
◇石溪

與牛頓「力學定論」媲美四個「電磁基本定律」方程式,是由麥克斯韋(James Clerk Maxwell, 1831-1879)創立的。

慈父教成才
1831年,麥克斯韋出生於英國愛丁堡近郊,父親約翰‧麥克斯韋是一位富有的莊主,但8歲喪母的麥克斯韋,性格十分內向;他喜歡離群獨處,與麥氏莊園的田原、湖泊為伴。
約翰‧麥克斯韋是位敬虔的基督徒,不但以上帝的真道來引導兒子,還悉心發掘他的潛能,當發現兒子的數學天才後,便請專家來教他幾何和數理。麥克斯韋從小就表現出過人的才智,14歲那年,在皇家科學雜誌發表有關數學的論文;16歲進入愛丁堡大學,成績優異,在19歲離開愛丁堡大學前,已發表了兩篇論文,以至那些愛才如命的教授們,決定保送他到劍橋大學。

虔誠信聖經
1850年秋天,他成為劍橋大學的學生,師從當時的數學名家霍普金斯、泰列等;1854年,他以最高榮譽畢業於數學系。當時在校園裡,興起了對「進化論」的辯論,堅信《聖經》的麥克斯韋,是最激烈反對「進化論」的人物之一。
從劍橋畢業後,他曾到歐洲遊學,並潛心撰寫論文。1856年,他接受馬利斯卓大學(Marischal College)的聘請,盼望就近照顧年老的父親,可惜他尚未就任,父親已安息主懷,令他有「子欲養而親不在」之痛。不久之後,他與校長的女兒嘉芙蓮‧杜華(Katherine M. Dewar)結婚,夫妻恩愛、志同道合,是科學界鮮有的美滿良緣。後來馬利斯卓大學與帝皇大學(King College) 合併,他被調往倫敦的校園。

潛心電磁學
到倫敦帝皇大學擔任教授,是麥氏的一個重要轉捩點。當他到達倫敦後,就急不及待地去拜見法拉第,並向他奉上自已《論法拉第路線焦點》一文。法拉第看到麥氏的論文,心情十分激動,因為沒有人能對他的發明,作出如此透徹的見解。他鼓勵麥氏在電磁學上發展,並鼓勵他突破自己,在學術上更上一層樓。
麥克斯韋不負所望,1864年他向皇家科學院,提交了《電磁感應的動態原理》,文中以四個方程式,清楚明瞭地把令人困惑的現象,轉化為一個綜合理論。這組方程式,精密到當時已知及未來發現的電磁學,都可以通過這些方程式推導出來。它不但是電磁學的方程式,亦同時是光學的方程式,當時麥氏透過實驗,推算出電磁波的速度,約為每秒18.6萬英哩,與光速相近,因此大膽指出,光是由電磁波構成的。

波外還有波
另外他又指出,還有其他電磁波,它的頻率和波長與光波不同。他的「預言」於1888年被德國物理學家赫茲證實;1894年意大利的馬可尼,利用這些不可見的電磁波,發明了無線電通訊;現在的無線電視,也是透過麥氏的方程式發明的。 除了電磁學方面的成就,麥氏發明了《氣體分子運動理論》、《色彩視覺理論》等。
1865年他因體弱多病退休,回到麥氏莊園,在安詳的生活中繼續科學研究;1871 年接受嘉雲迪殊大學(Cavendish)的教職,成為該校第一位物理學教授,並設立了著名的嘉雲迪殊研究所。1879年秋天,他被診斷患上癌症,同年11月5日息勞歸主,他最後的話是:「天父求祢看顧我的妻子!」可見他對天父的信心。