在科學史的殿堂中，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋是有史以來最偉大的思想家之一，但他的名字卻常常被人們所忽視，人們通常更青睞于牛頓、達爾文或愛因斯坦。

但他的工作不僅推動了物理學的發展，還重新定義了我們對現實的理解。麥克斯韋的電磁方程奠定了無線電、電視、Wi-Fi，甚至量子力學的基礎。他對統計力學的深刻見解為現代熱力學鋪平了道路。他在光學領域的發現促成了彩色攝影的誕生。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋

阿爾伯特·愛因斯坦認為麥克斯韋開創了物理學的新紀元，他說：

“這是自牛頓以來，我們對物理學現實的理解最深刻、最富有成果的變化。”

麥克斯韋并非追求名利的人。他安靜內斂，動力源于永不滿足的好奇心，而非對認可的渴求。他的思維水平甚至連同時代的人都難以理解。他在劍橋大學的數學導師威廉·霍普金斯如此描述他：

“他是我見過的最不尋常的人……他似乎不可能對任何物理問題產生錯誤的想法。”

麥克斯韋的發現以他自己從未想象過的方式塑造了現代世界。要理解他是如何做到這一點的，我們必須回顧他誕生的世界——一個充滿工業、革命和科學變革的世界。

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋于 1831 年 6 月 13 日出生于蘇格蘭愛丁堡，這是蘇格蘭啟蒙運動的中心城市。

而在這樣一個思想革命的時代，蘇格蘭涌現出許多哲學、科學和工程領域的杰出人才。大衛·休謨重塑了我們對人類理性的理解，亞當·斯密奠定了現代經濟學的基礎，詹姆斯·瓦特則用蒸汽機徹底改變了工業。

但在蘇格蘭之外，世界正處于動蕩之中。政治上，英國正處于轉折點，那時英國正深陷1832年《大改革法案》的爭論，這是一場旨在將投票權擴展到貴族之外的重大政治斗爭。工業革命為工廠主創造了巨額財富，而許多工人卻面臨著殘酷的工作條件和貧困。成千上萬的人走上倫敦街頭，抗議民主改革，而政客們擔心英國可能會步法國后塵。法國剛剛經歷了1830年的七月革命，這場起義推翻了查理十世國王，并以“公民國王”的身份取代了路易-菲利普。

歐仁·德拉克洛瓦的《自由引導人民》：一幅七月革命的寓言畫。

在大西洋彼岸，美國在安德魯·杰克遜總統的領導下迅速擴張，關于奴隸制、民主和工業化的辯論塑造著這個年輕國家的未來。與此同時，在科學界，查爾斯·達爾文剛剛乘坐貝格爾號啟航，這段旅程最終成就了他的進化論。

貝格爾號戰列艦

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋就出生在這個政治動蕩、工業增長和科學發現的時代。

麥克斯韋的家庭富裕卻低調。他的父親約翰·克拉克·麥克斯韋是一位對科學充滿熱情的律師，母親弗朗西絲·凱是一位虔誠的宗教信徒，受過良好的教育，她負責麥克斯韋的早期教育。

麥克斯韋從小就展現出對世界永不滿足的好奇心。他會花上幾個小時觀察光、運動和力學，并向父親問無數關于事物運作方式的問題。他小時候最喜歡說的一句話是“這是怎么回事？”。他總是用這種方式要求父親解釋他所看到的一切。

然而悲劇在麥克斯韋爾八歲時降臨。他的母親，他的第一個老師和最親密的伙伴，因腹部癌癥去世，而同樣的疾病也將在后來奪走他的生命。

他的父親雖然很愛他，獨自承擔著他的教育，但他聘請了一位嚴厲且缺乏想象力的導師，這位導師認為麥克斯韋爾學習遲緩、注意力不集中。然而事實并非如此，麥克斯韋爾的思維水平遠遠超出了他的導師的理解范圍。

他的父親意識到兒子需要更好的環境，于是在他十歲時就送他進入了愛丁堡學院。

馬克斯韋爾穿著自制的鞋子和鄉村風格的束腰外衣來到學校，在城里男孩中顯得格外顯眼。他濃重的蘇格蘭口音和古怪的舉止，被他們嘲笑為“傻瓜”。但沒過多久，他們就意識到這個“鄉下男孩”并不傻。

他擁有過目不忘的記憶力，能背誦彌爾頓《失樂園》和《圣經》的長篇大論，更重要的是，他的數學能力令人驚嘆。

14歲時，麥克斯韋撰寫了他的第一篇科學論文，詳述了一種使用大頭針和細繩繪制橢圓曲線的新方法。進展順利，這篇論文被提交給了愛丁堡皇家學會，盡管他年齡過小，無法親自提交。這篇論文的重要性更多地在于它對麥克斯韋一生的影響，而非其內容。盡管論文的部分內容具有原創性，但笛卡爾早在麥克斯韋開始工作之前就已經記錄了其中的大部分內容。然而，論文的成就并非在于這些想法的新穎性，而在于這些想法在麥克斯韋僅僅14歲時就被構思出來。這篇論文幫助麥克斯韋接觸到一些對他影響最大的人，并開啟了他的數學生涯。

“我仔細看過你兒子的論文，我認為它非常有創意，在他這個年紀絕對非常了不起；而且我相信它有很大的創新性。”——愛丁堡大學教授詹姆斯·福布斯對麥克斯韋的父親說。

16歲時，他進入愛丁堡大學，在那里他汲取了跨學科的知識。與同齡人不同，他沒有墨守成規，而是自學了幾何、光學和電磁學，為日后的突破奠定了基礎。

19歲時，麥克斯韋轉學到劍橋大學三一學院，他的非凡才華立刻得到了認可。他的導師威廉·霍普金斯對他能夠直觀地理解復雜物理概念的能力感到驚訝，他經常用幾何而不是代數來解決問題。

正是在劍橋，麥克斯韋解決了當時最大的兩個科學謎團：

土星環的真實本質色彩視覺的科學

天文學家們對土星環的性質爭論了兩百多年。它們是固體、液體，還是完全不同的物質呢？麥克斯韋運用數學物理證明了土星環不可能是固體或液體。相反，它們一定是由無數個獨立圍繞土星運行的小粒子組成。他的結論非常精確，以至于一個多世紀后，也就是20世紀80年代，美國宇航局的“旅行者”號太空探測器證實了這一點。

左圖：旅行者2號在3000萬英里外拍攝的土星偽彩色照片，突顯了該行星大氣中的條紋。中圖：在1300萬英里外拍攝的這張照片中，可以看到土星及其三顆衛星——土衛三（上方，其陰影籠罩著土星）、土衛四和土衛五。右圖：在250萬英里外，可以看到土星B環的輻條。

與此同時，麥克斯韋在色覺方面進行了開創性的研究。他基于托馬斯·楊的三色理論，證明了所有可見顏色都可以由紅、綠、藍光產生。他設計了一系列精確控制的實驗，制造了一種名為“色陀”的裝置，這實際上是一個涂有不同顏色部分的旋轉圓盤。通過高速旋轉圓盤，他能夠混合顏色，產生不同的色調和色相。

通過實驗，麥克斯韋證實了任何顏色都可以通過混合不同比例的紅、綠、藍光來產生。他還證明，如果將三原色按正確的比例混合，就能得到白色。這些結果為三色學說提供了有力的證據，奠定了現代色彩科學的基礎。

1860年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）抵達倫敦國王學院時，物理學界仍在努力探究電磁的本質。得益于邁克爾·法拉第（Michael Faraday）的開創性實驗，科學家們知道電磁之間存在聯系，但當時還沒有數學理論能夠統一它們。許多人仍然認為電和磁是兩種不同的力，而不是同一基本現象的不同方面。

然而，麥克斯韋看到了更深層次的東西。他認識到這些力不僅相互關聯，而且與光本身有著內在的聯系。他在國王學院的工作最終促成了物理學史上最偉大的統一之一，堪比牛頓運動定律和愛因斯坦相對論。

在麥克斯韋之前，電磁學領域最重要的進展是由英國實驗物理學家邁克爾·法拉第取得的，他發現了電磁感應，而這正是發電機背后的原理！法拉第證明，變化的磁場可以感應出電流，從而提出了電力和磁力可以相互影響的觀點。

但有一個問題，法拉第并非數學家，他的發現基于實驗和直覺，他用“力線”之類的視覺圖像來描述這些直覺。當時許多科學家，尤其是那些受過嚴謹數學物理訓練的科學家，很難認真對待他的想法，因為他們缺乏正式的數學基礎。

然而，麥克斯韋卻與眾不同。他既擁有對物理學的直覺理解，又擁有非凡的數學天賦。他認為法拉第的力線不僅是一種可視化電磁場的有效方法，更是一個可以用精確數學術語描述的真實物理實體。

他著手做前人未曾做過的事情：將法拉第的實驗觀察轉化為完整、統一的數學理論。

1861年至1865年間，麥克斯韋孜孜不倦地致力于建立電場和磁場相互作用的數學描述。他的方法具有開創性，他不像前輩物理學家那樣僅僅描述單個實驗。相反，他建立了一套能夠解釋所有電磁現象的通用方程。

1861年，麥克斯韋發表了他第一篇重要的電磁學論文《論物理力線》。在論文中，他提出電磁場是真實存在的物理實體，可以在空間中傳播。為了闡明這一觀點，他創建了一個力學模型，設想空間充滿了微小的、旋轉的渦旋狀結構。雖然這個模型后來被廢棄，但其背后的數學原理被證明是正確的。

在接下來的幾年里，麥克斯韋不斷完善他的想法，并于1865年發表了《電磁場的動力學理論》。這篇論文包含了我們現在所說的麥克斯韋方程組，這是一組由四個偏微分方程組成的方程，描述了電場和磁場如何演化和相互作用。

這些方程表明：

電場和磁場是同一種力的兩個方面。變化的電場產生磁場，變化的磁場也產生電場。這種動態相互作用意味著電磁力是一種單一、統一的力，而不是兩種獨立的力。電磁波可以在空間中傳播。麥克斯韋方程組預測，電場和磁場可以一起振蕩，并以波的形式在真空中傳播，這在當時是一個完全革命性的想法。這些波的速度恰好就是光速。麥克斯韋計算電磁波的傳播速度時，發現它幾乎與已知的光速完全吻合。這是關鍵的突破，這意味著光本身就是一種電磁波。

高斯電場定律

該方程表明，電位移場的散度D等于自由電荷密度ρ 。這意味著電場線起源于正電荷，終止于負電荷。簡而言之，電荷是電場的來源。

高斯磁力定律

該方程表明磁場B的散度始終為零，這意味著不存在磁單極子（孤立的磁荷）。相反，磁場線始終形成閉合環路。

法拉第電磁感應定律

這個方程描述了變化的磁場( B ) 如何感應出循環電場( E )。它解釋了變壓器和發電機背后的原理——當磁場隨時間變化時，會產生電場。

安培定律（含麥克斯韋修正）

該方程表明，循環磁場（H ）由以下任一因素產生：

電流J （如電線中的電流），或隨時間變化的電位移場（D ）。

麥克斯韋添加了第二項?D/?t ，稱為位移電流，這使得這些方程可以預測電磁波（如光和無線電波）。

物理學家首次擁有了一個能夠解釋電、磁和光學的理論。光并非某種獨立而神秘的實體，它只是一種以特定頻率振動的電磁波。這一發現徹底改變了物理學，并為幾乎所有涉及電磁波的現代技術奠定了基礎。

麥克斯韋的發現直接挑戰了幾個世紀以來關于光的假設。在他之前，大多數科學家認為光要么是粒子流（牛頓的微粒理論），要么是簡單的波，穿過一種名為“光以太”的神秘物質。

麥克斯韋將這些想法拋諸腦后。他的理論表明，光不需要介質傳播，它是一種自持的電場和磁場的振蕩。這一思想后來在愛因斯坦的相對論中發揮了關鍵作用，愛因斯坦的相對論徹底否定了以太的存在。

起初，麥克斯韋方程組純粹是理論性的。當時還沒有人觀測到獨立于可見光的電磁波。然而，二十年后，也就是19世紀80年代，德國物理學家海因里希·赫茲開始檢驗麥克斯韋的預測。

赫茲進行了一項產生無線電波的實驗，證明了肉眼不可見的電磁波可以存在并在太空中傳播，正如麥克斯韋所預言的那樣！這一發現直接導致了無線電通信的發展，后來，第一個實用無線電傳輸系統的發明者古列爾莫·馬可尼對此進行了擴展。

麥克斯韋的工作還為 X 射線、雷達、電視和無線互聯網鋪平了道路，所有這些技術都依賴于電磁學原理。

麥克斯韋方程組的作用遠不止統一了電磁學，它重塑了物理學家理解宇宙的方式。他的發現標志著物理學的第二次偉大統一（繼牛頓運動定律之后）。它表明，自然界中的力并非孤立存在的現象，而是更深層次統一體的一部分。

阿爾伯特·愛因斯坦深受麥克斯韋研究的影響，他基于光速是普適常數這一事實，提出了狹義相對論，這與麥克斯韋方程組的預言一致。愛因斯坦后來評論說，麥克斯韋的洞見是物理學史上最重要的一步。

此外，麥克斯韋的工作奠定了量子力學的基礎。他的方程正確地描述了電磁波的連續性，但后來的實驗表明，光也具有粒子特性，這一悖論最終導致了20世紀量子理論的發展。

到了19世紀70年代末，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋所取得的成就遠超大多數科學家畢生所能想象。他統一了電、磁、光，奠定了電磁波的基礎，而電磁波后來又為無線電、電視和無線通信提供了動力。他通過統計力學的研究徹底改變了熱力學，并為氣體的性質提供了新的見解。他還開創了彩色視覺科學，幫助彩色攝影成為可能。

然而，盡管做出了這些不朽的貢獻，麥克斯韋卻從未追求名利。他始終謙遜慷慨，全身心投入工作，從不吹噓自己的成就。無論從哪方面來說，他都是一位科學家中的科學家，驅動他前進的動力并非來自名望，而是來自對宇宙永不停止的好奇心。

麥克斯韋年近五十，仍在劍橋大學繼續工作。他成為劍橋大學首位卡文迪什物理學教授，并建立了卡文迪什實驗室，這是世界上最偉大的實驗物理中心之一。然而，在他沉靜而有條不紊的才華背后，卻籠罩著一個陰影，一個他無法逃脫的命運。

1879年初，麥克斯韋開始出現持續性胃痛和消化問題。起初，他只是覺得這些小病痛沒什么大不了的，不讓它們影響工作。他一直體格健壯，經常騎馬，也參與戶外活動，所以他覺得沒有理由放慢腳步。

但幾個月過去了，疼痛變得難以忍受。他的體重急劇下降，進食也越來越困難。到1879年6月，他已經無法長時間站立。他的妻子凱瑟琳·麥克斯韋爾（Katherine Maxwell）深感擔憂，堅持要帶他去看醫生。

診斷結果令人沮喪：腹部癌癥，在他八歲時，他的母親就因這種疾病去世了。麥克斯韋雖然深諳物理和數學，但對醫學卻知之甚少。他意識到自己病情的嚴重性，在19世紀，癌癥就如同死刑，沒有有效的治療方法，手術又極其危險。麥克斯韋當時只有48歲，但他知道自己時日無多。

即使面對著劇痛，麥克斯韋也拒絕停止工作。他繼續在劍橋大學授課，監督卡文迪什實驗室的研究，并不斷完善他的方程式。他的妻子凱瑟琳一直陪伴在他身邊，在他病情惡化時悉心照料他。

盡管痛苦不堪，他卻從未抱怨。在他生命的最后幾個月里，探望他的人都對他平靜地接受命運的態度印象深刻。麥克斯韋，這位始終如一的科學家，并沒有沉湎于即將到來的死亡。相反，他專注于自己尚能成就的事情。

基督教信仰給予他慰藉與平靜，他以貫穿其一生的沉靜決心，走向人生的最后時光。一位探望他的牧師評論道，麥克斯韋爾堅定不移的信仰和智慧，直至生命盡頭依然屹立不倒。

1879年10月，麥克斯韋意識到自己體力不支，便離開劍橋，前往位于蘇格蘭的家族莊園格倫萊爾。他希望在自幼便深愛的鄉村度過人生的最后時光。

1879年11月5日，在經歷了短暫而劇烈的痛苦之后，麥克斯韋去世，享年48歲。據說，他的遺言反映了他一生的感恩之心：

“我一直在想，我一直以來受到的對待是多么溫柔啊。”

他被埋葬在蘇格蘭鄧弗里斯和加洛韋的帕頓教堂小墓地，靠近他童年的家。

與牛頓和達爾文不同，麥克斯韋沒有舉行國葬，也沒有隆重的儀式。他的離世平靜無波，如同他生前一樣。