科学理论，是人类智慧活动最璀璨的结晶。一项重大的科学发现，往往不是一个人、一代人所能完成的，需要许多人甚至几代人的共同努力。电磁理论的构建和统一就是一场伟大的接力跑。

法拉第的力线思想

电荷之间、磁极之间及电流元之间的相互作用，跟质点之间的万有引力一样，都不是接触力，而且同样遵守着“力的大小与距离平方成反比的规律”（简称平方反比律），就像四个孪生兄弟一样。

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

对于万有引力，牛顿认为，物体间的相互吸引力的传递，是不需要通过任何介质、不需要时间。在电磁学的发展过程中，许多著名的物理学家如富兰克林、库仑、安培也认为电荷间的相互作用是超距的。

法拉第研究了电介质对电力作用的影响，认识到这一影响表明电力不可能是超距作用。而是通过电介质状态的变化进行作用传递，即使没有电介质，空间也会产生某种变化。他从广泛的实验研究中提出：电荷和磁体周围并不是空无一物，而是存在着一种由电荷和磁体本身产生的连续的介质，通过这种介质传递着电磁相互作用。法拉第把这种看不见、摸不着的介质称为场。

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迈克尔·法拉第 （Michael Faraday，1791年9月22日～1867年8月25日），英国物理学家、化学家

法拉第这种深邃的物理思想，未能用数学形式表达，但是他凭借着丰富的想象力，构想出“力线”这种形象化的表示方法。他认为电荷和磁极周围的空间充满了力线，靠力线（包括电力线和磁力线）将电荷（或磁极）联系在一起。力线就像是从电荷（或磁极）发出，又落到电荷（或磁极）的一根根橡皮筋一样。W.汤姆生这样评价道：“在法拉第的许多贡献中，最伟大的一个就是力线概念了，我想借助它就可以把电场和磁场的许多性质以最简单而极富启发性地表示出来”。

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

等量异种电荷的电场线

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

条形磁铁周围的磁感线

法拉第的力线思想实际上就是场的观念，场观念是牛顿时代以来在物理学概念、基础理论方面最重要的变革，它打破了当时传统的超距作用的观念，把近距媒介作用的观念引进了物理学，对于电磁学及整个物理学的发展都产生了深远的影响。

麦克斯韦电磁场理论的建立

由于数学的确定性、抽象性、广泛性、简洁性和预见性，使得用数学语言精确表述创造性科学思想、深刻揭示自然规律，是科学发展的要求，也是科学成熟的重要标志。那么，能不能把这种形象的“力线”数学化，精确地、定量地描述场的特性呢？

在法拉第力线思想的激励下，W.汤姆孙对电磁作用的规律进行了有益的研究。他运用类比方法，类比热传导、流体力学现象，把法拉第的力线思想转变为定量的表述，初步形成了电磁作用的统一理论。

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开尔文（Lord Kelvin 1824～1907），原名W.汤姆孙，英国物理学家、发明家。

时代的发展需要一位既能继承前人深邃的思想、又富有独创精神，既有鲜明的物理洞察力、又非常精通数学的科学巨匠，他就是麦克斯韦。1831年，法拉第发现电磁感应现象的同年，麦克斯韦降生。他从小就表现出对事物强烈的好奇心，读中学时对数学有着浓厚的兴趣。15岁时，就在当时英国最高学术机构的会刊——《爱丁堡皇家学会会刊》上发表了第一篇关于绘制椭圆形线带的科学论文。1847年秋中学毕业后，他进入爱丁堡大学攻读数学和物理学。1950年，19岁的麦克斯韦转入剑桥大学。当时著名的数学家威廉·霍普金斯盛赞麦克斯韦是他所教过的学生中最出色的一个。

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879）英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。

大学毕业后，麦克斯韦留校工作。1854年，麦克斯韦从读法拉第的《电学的实验研究》开始，对电磁学产生了浓厚的兴趣，并以他犀利的目光看出了法拉第的“场”和“力线”思想的真实意义，立志用数学的语言精确描述法拉第的场合力线的概念。他面对众说纷纭的电磁理论，以深邃的洞察力开创了物理学的新领域。然而，他也不是一蹴而就的，他在创建电磁理论的奋斗中前后历程达十余年，可以划分为如下几个阶段：

第一阶段

1855年麦克斯韦发表的论文《论法拉第力线》。他借鉴W.汤姆孙的类比思想，把电场、磁场与流速场类比，把电场强度、磁场强度比作流速，把电力线、磁力线比作流线。从而可以把流体力学中的数学工具移植过来，采用通量、环流、散度、旋度等具有明确定义的量，来定量地描述抽象的电场、磁场在空间的变化情况。就这样，在麦克斯韦手中，深奥的力线、场思想神奇般地用数学语言描述出来了，为法拉第的物理思想做了细致的数学“翻译”，使之定量化、精确化。

1860年秋天，29岁的麦克斯韦带着《论法拉第的力线》这篇论文，登门拜访年近七旬的法拉第。法拉第盛赞麦克斯韦：“我惊讶地看到，这个主题居然处理得如此之好”，“我并不认为自己的学说一定是真理，但你是真正理解它的人”，“你不应该局限于借用数学来解释我的见解，而应该突破它。”法拉第的话，像一盏明灯，照亮了麦克斯韦前进的道路，使他进一步领悟到，不仅要用数学的方法去解释法拉第的学说，还应该用数学去突破和超越前辈的成就。麦克斯韦立志采用一种统一的方法，按照一种统一的思想汇总过去的电磁学研究，并给法拉第、库仑、奥斯特、安培、高斯等有关电磁学的成果以理论的解释和数学的表达。

第二阶段

1862年麦克斯韦发表论文《论物理力线》。他注意到电磁现象与流体力学现象的差别，于是转向运用模型来建立假说。他扩充了电场、电流概念，独到地提出了涡旋电场、位移电流两个新观点。从而改写了电磁感应定律，修正了磁场环路定理，在电磁理论研究上取得了关键性的突破。变化的磁场激发电场，变化的电场激发磁场，如此交替激发下去，交变的电磁场就会以波的形式向空间散布开去。麦克斯韦并用理论推出电磁波的传播速度值为310740千米/秒，与当时所测的光速相符甚好。于是，麦克斯韦在论文中用斜体字写道：“我们难以排除如下的推论：光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的。”

第三阶段

1865年麦克斯韦正式发表了第三篇关于电磁场理论的论文《电磁场的动力学理论》。文中没有具体地设想和仔细地描述电磁作用的机制，而是直接根据电磁学实验和普遍原理，给出了电磁场的普遍方程组——麦克斯韦方程组。

1873年麦克斯韦的具有划时代意义的专著《电磁学通论》出版。书中全而系统地总结了前人有关电磁现象的研究，特别是法拉第的研究成果和关于力线与场的思想，创造性地推导出了全面发映电磁规律的麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在并阐明了它的本质；创立了电磁波的传输模型；提出了光的电磁理论。这部巨著的重要意义堪与牛顿的《自然哲学的数学原理》相提并论。

麦克斯韦生在电磁学已经打好基础的年代，他没有辜负时代的要求，及时总结了已有的成就，他受到法拉第力线思想的鼓舞，又得到W.汤姆孙类比研究的启发，甩掉一切机械论点，把电磁场作为客体摆在电磁理论的核心地位，从而开创了物理学又一个新的起点。他在电磁理论方面的工作可以和牛顿在力学理论方面的工作想媲美。恩斯坦对他作了很高的评价，“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大的变革，是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的”。麦克斯韦不愧为牛顿之后又一位划时代的杰出物理学家。

电磁场理论的实验证实

麦克斯韦的电磁场理论把电、磁和光三个领域综合到了一起，具有划时代意义。遗憾的是，麦克斯韦英年早逝，他没有见到科学实验对其电磁场理论的证明。把天才的预言变成世人公认的事实，是德国物理学家赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）的功劳。当1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦已于九年前去世了。

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）德国物理学家。通过实验发现了电磁波。

1879年，柏林科学院设奖征求电磁波存在的实验证据，促使了年轻的赫兹萌发进行电磁波实验的雄心壮志。赫兹实验的原理如图所示。他把两根带有金属球的金属杆③接在感应圈①上。在两个金属球之间留有一个间隙。感应圈感应出的高电压可以使金属球间隙中的空气电离而导电，在两球之间产生火花放电。赫兹使用的接收器是一个金属环，在断开处也有两个金属球，中间也有间隙。把这个接收器放在离发射装置有一定距离的地方，赫兹看到，当发射装置的金属球间有火花跳动时，几乎同时在接收器的金属球之间也有火花跳动。这个现象只能用电磁波来解释，发射装置中产生的电磁波传到金属圆环处时，电磁波的电磁场使金属环发生感应而在两个金属球之间产生电压，这个电压足够高时，能使两球之间发生火花放电。

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

赫兹实验装置及示意图

赫兹不但用实验证实了电磁波的存在，还做了一系列的实验，证明电磁波和光波一样，能发生反射、折射、干涉、衍射等现象，并测出了电磁波的传播速度正是光速。赫兹实验不仅证实了麦克斯韦的电磁场理论，更为其后的无线电报、无线电广播、电视和雷达等无线电技术的发展奠定了实验基础、开辟了道路。为了纪念他，后人把频率的单位定为赫兹。

从电磁场理论的建立过程，我们领会到壮伟的物理大厦是怎样一层一层地修筑起来的。法拉第等给它打了坚实的地基，麦克斯韦在上面建造了高楼，赫兹给这座大厦封了顶。法拉第——麦克斯韦——赫兹的名字，永远和电磁理论连在一起，光照人间。

电磁场理论建立过程蕴含的物理思想

电磁场理论建立过程中有着丰富的物理思想。

1.类比思想

类比方法的客观基础是自然界存在着某些共性。类比研究在于寻找和揭示不同事物在一定范围内所具有的形式上的相似性，这常常会带来重大的发现和突破。德国哲学家黑格尔（G.F.W.Hegel）曾给类比方法以极高的评价：“类比的方法应在经验科学中占很高的地位，而且科学家也曾按照这种推论方法获得很重要的结果。”除了上文中提到的W.汤姆孙和麦克斯韦堪称应用类比方法的典范外，科学史上许多重大的发现和发明创造常常得益于这种思维方法的高度发挥。

库仑将点电荷间的相互作用与两质点间的作用相类比，得出作用规律，并用他设计的巧妙的实验进行验证，从而得到库仑定律。

欧姆电的传导与热的传导相类比，参照傅立叶公式，并通过实验证实，得到欧姆定律。

惠更斯将光与声音相类比，得出光是一种波。德布罗意将粒子与光子相类比，提出了物质波思想，为量子力学的建立作出了杰出的贡献。

汤川秀树通过与电磁力的类比，于1935年勇敢地提出了核力的介子假设。

诸如此类的例子不胜枚举。对于类比方法的重要性，德国的另一位哲学大家康德曾说：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往指引我们前进”

2.对称思想

物理学中有多种守恒定律存在，守恒来源于自然界的对称性。某些物理学家在创立物理理论及其数学结构时，在方法上追求完美的对称性，以揭示自然界对称性的奥秘。

运动电荷磁效应（电生磁）发现后，法拉第坚信电磁对称，从事电磁感应的实验研究，发现了变化磁场产生电场（磁生电）。电磁感应定律发现后，麦克斯韦坚信电磁对称，提出了变化电场产生磁场的假设。

麦克斯韦方程组全面、系统、简洁地概括了电磁运动规律，但物理学家赫兹认为方程组过于复杂。为了用最简洁的数学形式表达出来，他对麦克斯韦方程做了简化。后来，又经过众多科学家的不懈努力和坚持探索，终于完成了对麦克斯韦方程组进行了简化和整理，给出了方程组的最简单的微分对偶形式，建立起在形式上具有完美的对称性的、简洁的麦克斯韦方程组。

物理学的革命——麦克斯韦电磁场理论的建立

麦克斯韦方程组用像音符一样美妙而简明的数学矢量微分方程，确定了电荷、电流、电场和磁场之间的关系，把表面上看起来毫不相关的电磁和光现象统一在同一个规律中：变化的电场激发变化的磁场，变化的磁场激发变化的电场。这种相互变化的电场和磁场构成了电磁波，而光只是一种频率特定的电磁波，光、电、磁在本质上是一致的。麦克斯韦方程组形成了电磁场理论严密的逻辑体系，达到了经典电磁理论研究的最高境界，建立起一个简单、和谐、对称的电磁场的力学理论，在美学上既体现了其简单性：光、电、磁的统一，又体现了完美的对称性和统一性：电场和磁场的对称性和统一性，时间和空间的对称性和统一性。

对称性原理具有真和美两方面的价值，在现代物理学中起着重要的作用。对称本身具有明显的美学品格。狄拉克甚至认为，让方程中具有美感比它符合实验更重要；一个人若从寻找他的方程的优美这种观点出发，而且他确实具有深刻洞察力，那么，他必然就是在一条可靠的发展路线上。狄拉克遵循他本能提供的通向美的向导而前进，获得了深刻的真理，即使这种真理与实验相矛盾。他的反物质理论就是沿着这条路线得到的。

3.统一思想

自然界的和谐统一必然导致物理规律的统一性。科学的发展史，可以说就是一步一步从小范围统一逐渐发展到大范围统一的历史。

运动电荷磁效应的发现，第一次揭示了电与磁的统一。电磁感应的发现和位移电流假设的提出，更深地把电与磁的相互转化统一了起来。电磁场理论的建立和电磁波的实验证实，把电学、磁学和光学统一了起来。

物理学理论的发展经历了几次大的综合统一。

17世纪，伽利略研究地面上物体的运动，打开了通向近代物理学的大门。牛顿“站在巨人们的肩膀上”，把地面上物体的运动和天体运动统一起来，揭示了天上地下一切物体的普遍运动规律，建立了经典力学体系，实现了物理学史上第一次大综合。

18世纪，经过迈尔、焦耳、卡诺、克劳修斯等人的研究，经典热力学和经典统计力学正式确立，从而把热与能、热运动的宏观表现与微观机制统一起来，实现了物理学史上的第二次大综合。

19世纪，麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等物理学家研究的基础上，经过深入研究，把电、磁、光统一起来，建立了经典电磁理论，预言了电磁波的存在，实现了物理学史上第三次大综合。

至此，经典力学、经典统计力学和经典电磁理论形成了一个完整的经典物理学体系，一座金碧辉煌的物理学大厦巍然耸立。

20世纪，爱恩斯坦相对论统一了力学运动和电磁运动，把时间、空间、物质、运动统一了起来，说明了质量守恒与能量守恒的统一性；量子理论实现了波粒二象性的统一；弱电统一理论实现了电磁作用与弱相互作用的统一。现在物理学家正在追求大统一理论，以期实现四种相互作用理论的和谐统一。