电磁波与麦克斯韦

正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波.电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”.

电磁波是电磁场的一种运动形态.电可以生成磁，磁也能带来电，变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，所以电磁波也常称为电波.1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论.他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度.1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在.之后，人们又进行了许多实验，不仅证明光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别.按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来，就是电磁波谱.如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线.

人们发现了电磁波，并且发明了发射和接收电磁波的装置之后，又利用电磁波发展了无线电技术.电磁波给人类社会带来了深刻而又巨大的变化，由此开辟了电子技术的新时代.今日的天空，已充满了各种频率不同、功率不同、传递信息各异的电磁波.

由于电磁波的存在以及无线电技术的飞跃发展，人类才能在遥远的他乡，听到和看到亲人的音容笑貌；电报、广播、电视靠它传递；卫星靠它控制、导航……看不见的电波，使得人类社会的发展日新月异.

尽管电磁波为人类造福，但也给人类带来某些害处，它会干扰人体生理节律，破坏免疫机能，引起头疼、失眠等症状，常被人们称为“无形杀手”.1995年4月，美国一架飞机在航行中，由于机上有人使用“大哥大”，使机上的电子设备全部失灵，飞机偏离了航线.所以，电磁污染对人类生存环境的干扰已成为环境科学中的新课题.

麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831～1879）英国物理学家，经典电磁理论的奠基人.1831年6月13日出生于爱丁堡.父亲受的是法学教育，但思想活跃，爱好科学技术，使他从小就受到科学的熏陶.10岁那年,他进入了爱丁堡中学，由于讲话带有很重的乡音和衣着不入时，在班上经常被排挤、受讥笑.但在一次全校举行的数学和诗歌的比赛中，麦克斯韦一人独得两个科目的一等奖.他以自己的勤奋和聪颖获得了同学们的尊敬.他的学习内容逐渐地突破了课本和课堂教学的局限.他的关于卵形曲线画法的第一篇科学论文发表在《爱丁堡皇家学会会刊》上，他采用的方法比笛卡儿的方法还简便.那时他仅仅15岁.1847年他入爱丁堡大学听课，专攻数学.但他很重视参加实验，广泛涉猎电化学、光学、分子物理学以及机械工程等等.他说：“把数学分析和实验研究联合使用得到的物理科学知识，比之一个单纯的实验人员或单纯的数学家所具有的知识更加坚实、有益而牢固.”1850年他考入剑桥大学，1854年以优异成绩毕业并获得了学位，留校工作.1856年起他任苏格兰阿伯丁的马里沙耳学院的自然哲学讲座教授，直到1874年.经法拉第举荐，自1860年起他任伦敦皇家学院的物理学和天文学教授.1871年起负责筹划卡文迪什实验室，随后被任命在剑桥大学创办卡文迪什实验室并担任第一任负责人.1879年11月5日麦克斯韦因患癌症在剑桥逝世，终年仅48岁.

　　麦克斯韦一生从事过多方面的物理学研究工作，他最杰出的贡献是在经典电磁理论方面.在剑桥读书期间，当麦克斯韦读过法拉第的《电学实验研究》之后，立刻被书中的新颖见解所吸引，他敏锐地领会到了法拉第的“力线”和“场”的概念的重要性.但是，他注意到全书竟然无一数学公式，这说明法拉第的学说还缺乏严密的理论形式.在其老师威廉·汤姆孙的启发和帮助下，他决心用自己的数学才能来弥补法拉第工作的这一缺陷.1855年他发表了第一篇论文《论法拉第的力线》.把法拉第的直观力学图像用数学形式表达了出来，文中给出了电流和磁场之间的微分关系式.不久，他收到法拉第的来信，信中赞扬说：“我惊异地发现，这个数学加得很妙！”1860年，29岁的麦克斯韦去拜访年近70的法拉第，法拉第勉励麦克斯韦：“不要局限于用数学来解释已有的见解，而应该突破它.”1861年，麦克斯韦深入分析了变化磁场产生感应电动势的现象，独创性地提出了“分子涡旋”和“位移电流”两个著名假设.这些内容写在了他1862年发表的论文《论物理力线》中.这两个假设已不仅仅是法拉第成果的数学反映，而是对法拉第电磁学作出了实质性的增补.1864年12月8日，麦克斯韦在英国皇家学会的集会上宣读了题为《电磁场的动力学理论》的重要论文，对以前有关电磁现象和理论进行了系统的概括和总结，提出了联系着电荷、电流和电场、磁场的基本微分方程组.该方程组后来经 H.R.赫兹， O.亥维赛和 H.A.洛伦兹等人整理和改写，就成了作为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组.这理论所宣告的一个直接的推论在科学史上具有重要意义，即预言了电磁波的存在.交变的电磁场以光速和横波的形式在空间传播，这就是电磁波；光就是一种可见的电磁波.电、磁、光的统一，被认为是19世纪科学史上最伟大的综合之一.1888年，麦克斯韦的预言被H.赫兹所证实.1865年以后，麦克斯韦利用因病离职休养的时间，系统地总结了近百年来电磁学研究的成果，于1873年出版了他的巨著《电磁理论》，其内容丰富、形式完备，体现出理论和实验的一致性，被认为可以和牛顿的《自然哲学的数学原理》交相辉映.麦克斯韦的电磁理论成为经典物理学的重要支柱之一.

　　麦克斯韦兴趣广泛，才智过人，他不但是建立各种模型来类比不同物理现象的能手，更是运用数学工具来分析物理问题的大师.他在其他领域中也做出了不少贡献.1859年他用统计方法导出了处于热平衡态中的气体分子的“麦克斯韦速率分布律”.他用数学方法证明了土星环是由一群离散的卫星聚集而成的.这项研究的论文获得亚当斯奖；在论文中他运用了200多个方程，由此可见他驾驭数学的高超能力！在色视觉方面他提出了三原色理论.他首先提出了实现彩色摄影的具体方案.他设计的“色陀螺”获得皇家学会的奖章.麦克斯韦在他生命的最后几年里，花费了很大气力整理和出版卡文迪什的遗稿以及创建卡文迪什实验室，为人类留下又一笔珍贵的科学遗产.