他突然打开了科学中一个黑暗领域之门,使其充满光明。--------法拉第
1731年,一名英国商人发现,雷电过后,他的一箱刀叉竟然有了磁性。1751年,富兰克林发现莱顿瓶放电能使缝衣针磁化。但直到19世纪初,科学家仍然认为电与磁之间是互不相关的两回事。不过在十九世纪初,受自然界中各种运动形式之间的相互转化思想的影响,丹麦科学家奥斯特相信电和磁之间也应该存在的某种联系。
划时代的发现
受历史观念的影响,奥斯特刚开始的实验研究都一失败告终。直到1840年4月,在一次讲课中,奥斯特偶然把一根导线放在带玻璃罩的指南针上面,通电时指针发生转动。经过反复试验,奥斯特终于查明电流的磁效应是沿围绕导体的螺旋方向。他的这一发现引起的科学界的震动,被作为划时代的一页载入史册。
安倍定则和电动力基础
此后不久,毕奥和萨伐尔提出了著名了毕奥-萨伐尔定律,可以算出任意电流在空间产生的磁场大小。再后来,安倍通过大量实验研究,发现总结出电流方向和磁场方向的规律,这就是右手定则(右手螺旋定则)。还得出了普通的电动力公式,这为电动力学的研究提供了基础。
法拉第的电磁感应
1820年电磁热席卷欧洲,法拉第通过反复的实验,终于在1931年取得突破性的进展,提出电磁感应定律,并引入电场和磁场的概念,指出电和磁周围都有场的存在。其实早在1930年美国物理学家亨利就先于法拉第发明电磁感应现象,但他并没有马上发表实验结果。1931年,俄国物理学家楞次,通过实验研究发现电流感应方向的规律。
然而,法拉第是一名实验物理学家,他后面并未能通过数学能力来证明自己的理论。随后汤姆生等人运用类比方法把法拉第思量转变为定量的表述,他们的研究也为麦克斯韦的工作提供了十分有益的经验。
电磁场理论的建立
在法拉第发现电磁感应后的一个月麦克斯韦出世,自幼天资聪颖,得到精心培养。1850年进入剑桥大学,对于汤姆生的电磁理论早有了解;大学刚毕业,就着手把法拉第的力线思想用数学分析方法进行表述。对电磁理论的洞悉和研究,他发现了内部的不对称性和矛盾,大胆地提出了"位移电流"和"涡旋电场"假说。
年轻的麦克斯韦
通过对前辈和自己的研究,麦克斯韦将电磁场理论用简单,对称,完美的数学形式表示出来,成为了经典的电动力学主要基础的麦克斯韦方程式。
而后,1865年,麦克斯韦预言电磁波的存在,认为电场磁场共同构成的电磁场以横波的形式在空间传播,并推算出电磁波传播速度等于光速,得出结论:光也是电磁波的一种形式,从而揭示了光与电磁之间的关系。1888年,在麦克斯韦逝世的9年后,德国物理学家赫兹通过实验验证了电磁波的存在。
对于麦克斯韦来说,他没有辜负时代的要求,站在法拉第和汤姆生两位巨人的肩膀上,开创了物理学的新领域。他的成果也不是一蹴而就,在创建电磁场理论的奋斗中,前后经历了十余年。对电磁场这样一次伟大的综合,实现了科学的革命性变革。