科學(xué)理論，是人類智慧活動(dòng)最璀璨的結(jié)晶。一項(xiàng)重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，往往不是一個(gè)人、一代人所能完成的，需要許多人甚至幾代人的共同努力。電磁理論的構(gòu)建和統(tǒng)一就是一場(chǎng)偉大的接力跑。
法拉第的力線思想
電荷之間、磁極之間及電流元之間的相互作用，跟質(zhì)點(diǎn)之間的萬有引力一樣，都不是接觸力，而且同樣遵守著“力的大小與距離平方成反比的規(guī)律”（簡(jiǎn)稱平方反比律），就像四個(gè)孿生兄弟一樣。
對(duì)于萬有引力，牛頓認(rèn)為，物體間的相互吸引力的傳遞，是不需要通過任何介質(zhì)、不需要時(shí)間。在電磁學(xué)的發(fā)展過程中，許多著名的物理學(xué)家如富蘭克林、庫侖、安培也認(rèn)為電荷間的相互作用是超距的。
法拉第研究了電介質(zhì)對(duì)電力作用的影響，認(rèn)識(shí)到這一影響表明電力不可能是超距作用。而是通過電介質(zhì)狀態(tài)的變化進(jìn)行作用傳遞，即使沒有電介質(zhì)，空間也會(huì)產(chǎn)生某種變化。他從廣泛的實(shí)驗(yàn)研究中提出：電荷和磁體周圍并不是空無一物，而是存在著一種由電荷和磁體本身產(chǎn)生的連續(xù)的介質(zhì)，通過這種介質(zhì)傳遞著電磁相互作用。法拉第把這種看不見、摸不著的介質(zhì)稱為場(chǎng)。
邁克爾·法拉第 （Michael Faraday，1791年9月22日～1867年8月25日），英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家
法拉第這種深邃的物理思想，未能用數(shù)學(xué)形式表達(dá)，但是他憑借著豐富的想象力，構(gòu)想出“力線”這種形象化的表示方法。他認(rèn)為電荷和磁極周圍的空間充滿了力線，靠力線（包括電力線和磁力線）將電荷（或磁極）聯(lián)系在一起。力線就像是從電荷（或磁極）發(fā)出，又落到電荷（或磁極）的一根根橡皮筋一樣。W.湯姆生這樣評(píng)價(jià)道：“在法拉第的許多貢獻(xiàn)中，最偉大的一個(gè)就是力線概念了，我想借助它就可以把電場(chǎng)和磁場(chǎng)的許多性質(zhì)以最簡(jiǎn)單而極富啟發(fā)性地表示出來”。
等量異種電荷的電場(chǎng)線
條形磁鐵周圍的磁感線
法拉第的力線思想實(shí)際上就是場(chǎng)的觀念，場(chǎng)觀念是牛頓時(shí)代以來在物理學(xué)概念、基礎(chǔ)理論方面最重要的變革，它打破了當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的超距作用的觀念，把近距媒介作用的觀念引進(jìn)了物理學(xué)，對(duì)于電磁學(xué)及整個(gè)物理學(xué)的發(fā)展都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。
麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立
由于數(shù)學(xué)的確定性、抽象性、廣泛性、簡(jiǎn)潔性和預(yù)見性，使得用數(shù)學(xué)語言精確表述創(chuàng)造性科學(xué)思想、深刻揭示自然規(guī)律，是科學(xué)發(fā)展的要求，也是科學(xué)成熟的重要標(biāo)志。那么，能不能把這種形象的“力線”數(shù)學(xué)化，精確地、定量地描述場(chǎng)的特性呢？
在法拉第力線思想的激勵(lì)下，W.湯姆孫對(duì)電磁作用的規(guī)律進(jìn)行了有益的研究。他運(yùn)用類比方法，類比熱傳導(dǎo)、流體力學(xué)現(xiàn)象，把法拉第的力線思想轉(zhuǎn)變?yōu)槎康谋硎觯醪叫纬闪穗姶抛饔玫慕y(tǒng)一理論。
開爾文（Lord Kelvin 1824～1907），原名W.湯姆孫，英國(guó)物理學(xué)家、發(fā)明家。
時(shí)代的發(fā)展需要一位既能繼承前人深邃的思想、又富有獨(dú)創(chuàng)精神，既有鮮明的物理洞察力、又非常精通數(shù)學(xué)的科學(xué)巨匠，他就是麥克斯韋。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的同年，麥克斯韋降生。他從小就表現(xiàn)出對(duì)事物強(qiáng)烈的好奇心，讀中學(xué)時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)有著濃厚的興趣。15歲時(shí)，就在當(dāng)時(shí)英國(guó)最高學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的會(huì)刊——《愛丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊》上發(fā)表了第一篇關(guān)于繪制橢圓形線帶的科學(xué)論文。1847年秋中學(xué)畢業(yè)后，他進(jìn)入愛丁堡大學(xué)攻讀數(shù)學(xué)和物理學(xué)。1950年，19歲的麥克斯韋轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)。當(dāng)時(shí)著名的數(shù)學(xué)家威廉·霍普金斯盛贊麥克斯韋是他所教過的學(xué)生中最出色的一個(gè)。
麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879）英國(guó)物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人，統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的奠基人之一。
大學(xué)畢業(yè)后，麥克斯韋留校工作。1854年，麥克斯韋從讀法拉第的《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》開始，對(duì)電磁學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣，并以他犀利的目光看出了法拉第的“場(chǎng)”和“力線”思想的真實(shí)意義，立志用數(shù)學(xué)的語言精確描述法拉第的場(chǎng)合力線的概念。他面對(duì)眾說紛紜的電磁理論，以深邃的洞察力開創(chuàng)了物理學(xué)的新領(lǐng)域。然而，他也不是一蹴而就的，他在創(chuàng)建電磁理論的奮斗中前后歷程達(dá)十余年，可以劃分為如下幾個(gè)階段：
第一階段
1855年麥克斯韋發(fā)表的論文《論法拉第力線》。他借鑒W.湯姆孫的類比思想，把電場(chǎng)、磁場(chǎng)與流速場(chǎng)類比，把電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度比作流速，把電力線、磁力線比作流線。從而可以把流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)工具移植過來，采用通量、環(huán)流、散度、旋度等具有明確定義的量，來定量地描述抽象的電場(chǎng)、磁場(chǎng)在空間的變化情況。就這樣，在麥克斯韋手中，深?yuàn)W的力線、場(chǎng)思想神奇般地用數(shù)學(xué)語言描述出來了，為法拉第的物理思想做了細(xì)致的數(shù)學(xué)“翻譯”，使之定量化、精確化。
1860年秋天，29歲的麥克斯韋帶著《論法拉第的力線》這篇論文，登門拜訪年近七旬的法拉第。法拉第盛贊麥克斯韋：“我驚訝地看到，這個(gè)主題居然處理得如此之好”，“我并不認(rèn)為自己的學(xué)說一定是真理，但你是真正理解它的人”，“你不應(yīng)該局限于借用數(shù)學(xué)來解釋我的見解，而應(yīng)該突破它?！狈ɡ诘脑?，像一盞明燈，照亮了麥克斯韋前進(jìn)的道路，使他進(jìn)一步領(lǐng)悟到，不僅要用數(shù)學(xué)的方法去解釋法拉第的學(xué)說，還應(yīng)該用數(shù)學(xué)去突破和超越前輩的成就。麥克斯韋立志采用一種統(tǒng)一的方法，按照一種統(tǒng)一的思想?yún)R總過去的電磁學(xué)研究，并給法拉第、庫侖、奧斯特、安培、高斯等有關(guān)電磁學(xué)的成果以理論的解釋和數(shù)學(xué)的表達(dá)。
第二階段
1862年麥克斯韋發(fā)表論文《論物理力線》。他注意到電磁現(xiàn)象與流體力學(xué)現(xiàn)象的差別，于是轉(zhuǎn)向運(yùn)用模型來建立假說。他擴(kuò)充了電場(chǎng)、電流概念，獨(dú)到地提出了渦旋電場(chǎng)、位移電流兩個(gè)新觀點(diǎn)。從而改寫了電磁感應(yīng)定律，修正了磁場(chǎng)環(huán)路定理，在電磁理論研究上取得了關(guān)鍵性的突破。變化的磁場(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)，如此交替激發(fā)下去，交變的電磁場(chǎng)就會(huì)以波的形式向空間散布開去。麥克斯韋并用理論推出電磁波的傳播速度值為310740千米/秒，與當(dāng)時(shí)所測(cè)的光速相符甚好。于是，麥克斯韋在論文中用斜體字寫道：“我們難以排除如下的推論：光是由引起電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象的同一介質(zhì)中的橫波組成的。”
第三階段
1865年麥克斯韋正式發(fā)表了第三篇關(guān)于電磁場(chǎng)理論的論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》。文中沒有具體地設(shè)想和仔細(xì)地描述電磁作用的機(jī)制，而是直接根據(jù)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)和普遍原理，給出了電磁場(chǎng)的普遍方程組——麥克斯韋方程組。
1873年麥克斯韋的具有劃時(shí)代意義的專著《電磁學(xué)通論》出版。書中全而系統(tǒng)地總結(jié)了前人有關(guān)電磁現(xiàn)象的研究，特別是法拉第的研究成果和關(guān)于力線與場(chǎng)的思想，創(chuàng)造性地推導(dǎo)出了全面發(fā)映電磁規(guī)律的麥克斯韋方程組，預(yù)言了電磁波的存在并闡明了它的本質(zhì)；創(chuàng)立了電磁波的傳輸模型；提出了光的電磁理論。這部巨著的重要意義堪與牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》相提并論。
麥克斯韋生在電磁學(xué)已經(jīng)打好基礎(chǔ)的年代，他沒有辜負(fù)時(shí)代的要求，及時(shí)總結(jié)了已有的成就，他受到法拉第力線思想的鼓舞，又得到W.湯姆孫類比研究的啟發(fā)，甩掉一切機(jī)械論點(diǎn)，把電磁場(chǎng)作為客體擺在電磁理論的核心地位，從而開創(chuàng)了物理學(xué)又一個(gè)新的起點(diǎn)。他在電磁理論方面的工作可以和牛頓在力學(xué)理論方面的工作想媲美。恩斯坦對(duì)他作了很高的評(píng)價(jià)，“自從牛頓奠定理論物理學(xué)的基礎(chǔ)以來，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)的最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯韋在電磁現(xiàn)象方面的工作所引起的”。麥克斯韋不愧為牛頓之后又一位劃時(shí)代的杰出物理學(xué)家。
電磁場(chǎng)理論的實(shí)驗(yàn)證實(shí)
麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論把電、磁和光三個(gè)領(lǐng)域綜合到了一起，具有劃時(shí)代意義。遺憾的是，麥克斯韋英年早逝，他沒有見到科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)其電磁場(chǎng)理論的證明。把天才的預(yù)言變成世人公認(rèn)的事實(shí)，是德國(guó)物理學(xué)家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）的功勞。當(dāng)1888年赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，麥克斯韋已于九年前去世了。
赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）德國(guó)物理學(xué)家。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁波。
1879年，柏林科學(xué)院設(shè)獎(jiǎng)?wù)髑箅姶挪ù嬖诘膶?shí)驗(yàn)證據(jù)，促使了年輕的赫茲萌發(fā)進(jìn)行電磁波實(shí)驗(yàn)的雄心壯志。赫茲實(shí)驗(yàn)的原理如圖所示。他把兩根帶有金屬球的金屬桿③接在感應(yīng)圈①上。在兩個(gè)金屬球之間留有一個(gè)間隙。感應(yīng)圈感應(yīng)出的高電壓可以使金屬球間隙中的空氣電離而導(dǎo)電，在兩球之間產(chǎn)生火花放電。赫茲使用的接收器是一個(gè)金屬環(huán)，在斷開處也有兩個(gè)金屬球，中間也有間隙。把這個(gè)接收器放在離發(fā)射裝置有一定距離的地方，赫茲看到，當(dāng)發(fā)射裝置的金屬球間有火花跳動(dòng)時(shí)，幾乎同時(shí)在接收器的金屬球之間也有火花跳動(dòng)。這個(gè)現(xiàn)象只能用電磁波來解釋，發(fā)射裝置中產(chǎn)生的電磁波傳到金屬圓環(huán)處時(shí)，電磁波的電磁場(chǎng)使金屬環(huán)發(fā)生感應(yīng)而在兩個(gè)金屬球之間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓足夠高時(shí)，能使兩球之間發(fā)生火花放電。
赫茲實(shí)驗(yàn)裝置及示意圖
赫茲不但用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，還做了一系列的實(shí)驗(yàn)，證明電磁波和光波一樣，能發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象，并測(cè)出了電磁波的傳播速度正是光速。赫茲實(shí)驗(yàn)不僅證實(shí)了麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，更為其后的無線電報(bào)、無線電廣播、電視和雷達(dá)等無線電技術(shù)的發(fā)展奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、開辟了道路。為了紀(jì)念他，后人把頻率的單位定為赫茲。
從電磁場(chǎng)理論的建立過程，我們領(lǐng)會(huì)到壯偉的物理大廈是怎樣一層一層地修筑起來的。法拉第等給它打了堅(jiān)實(shí)的地基，麥克斯韋在上面建造了高樓，赫茲給這座大廈封了頂。法拉第——麥克斯韋——赫茲的名字，永遠(yuǎn)和電磁理論連在一起，光照人間。
電磁場(chǎng)理論建立過程蘊(yùn)含的物理思想
電磁場(chǎng)理論建立過程中有著豐富的物理思想。
1.類比思想
類比方法的客觀基礎(chǔ)是自然界存在著某些共性。類比研究在于尋找和揭示不同事物在一定范圍內(nèi)所具有的形式上的相似性，這常常會(huì)帶來重大的發(fā)現(xiàn)和突破。德國(guó)哲學(xué)家黑格爾（G.F.W.Hegel）曾給類比方法以極高的評(píng)價(jià)：“類比的方法應(yīng)在經(jīng)驗(yàn)科學(xué)中占很高的地位，而且科學(xué)家也曾按照這種推論方法獲得很重要的結(jié)果?！背松衔闹刑岬降腤.湯姆孫和麥克斯韋堪稱應(yīng)用類比方法的典范外，科學(xué)史上許多重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明創(chuàng)造常常得益于這種思維方法的高度發(fā)揮。
庫侖將點(diǎn)電荷間的相互作用與兩質(zhì)點(diǎn)間的作用相類比，得出作用規(guī)律，并用他設(shè)計(jì)的巧妙的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，從而得到庫侖定律。
歐姆電的傳導(dǎo)與熱的傳導(dǎo)相類比，參照傅立葉公式，并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，得到歐姆定律。
惠更斯將光與聲音相類比，得出光是一種波。德布羅意將粒子與光子相類比，提出了物質(zhì)波思想，為量子力學(xué)的建立作出了杰出的貢獻(xiàn)。
湯川秀樹通過與電磁力的類比，于1935年勇敢地提出了核力的介子假設(shè)。
諸如此類的例子不勝枚舉。對(duì)于類比方法的重要性，德國(guó)的另一位哲學(xué)大家康德曾說：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往指引我們前進(jìn)”
2.對(duì)稱思想
物理學(xué)中有多種守恒定律存在，守恒來源于自然界的對(duì)稱性。某些物理學(xué)家在創(chuàng)立物理理論及其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)，在方法上追求完美的對(duì)稱性，以揭示自然界對(duì)稱性的奧秘。
運(yùn)動(dòng)電荷磁效應(yīng)（電生磁）發(fā)現(xiàn)后，法拉第堅(jiān)信電磁對(duì)稱，從事電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了變化磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)（磁生電）。電磁感應(yīng)定律發(fā)現(xiàn)后，麥克斯韋堅(jiān)信電磁對(duì)稱，提出了變化電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的假設(shè)。
麥克斯韋方程組全面、系統(tǒng)、簡(jiǎn)潔地概括了電磁運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但物理學(xué)家赫茲認(rèn)為方程組過于復(fù)雜。為了用最簡(jiǎn)潔的數(shù)學(xué)形式表達(dá)出來，他對(duì)麥克斯韋方程做了簡(jiǎn)化。后來，又經(jīng)過眾多科學(xué)家的不懈努力和堅(jiān)持探索，終于完成了對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行了簡(jiǎn)化和整理，給出了方程組的最簡(jiǎn)單的微分對(duì)偶形式，建立起在形式上具有完美的對(duì)稱性的、簡(jiǎn)潔的麥克斯韋方程組。
麥克斯韋方程組用像音符一樣美妙而簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)矢量微分方程，確定了電荷、電流、電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系，把表面上看起來毫不相關(guān)的電磁和光現(xiàn)象統(tǒng)一在同一個(gè)規(guī)律中：變化的電場(chǎng)激發(fā)變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)激發(fā)變化的電場(chǎng)。這種相互變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成了電磁波，而光只是一種頻率特定的電磁波，光、電、磁在本質(zhì)上是一致的。麥克斯韋方程組形成了電磁場(chǎng)理論嚴(yán)密的邏輯體系，達(dá)到了經(jīng)典電磁理論研究的最高境界，建立起一個(gè)簡(jiǎn)單、和諧、對(duì)稱的電磁場(chǎng)的力學(xué)理論，在美學(xué)上既體現(xiàn)了其簡(jiǎn)單性：光、電、磁的統(tǒng)一，又體現(xiàn)了完美的對(duì)稱性和統(tǒng)一性：電場(chǎng)和磁場(chǎng)的對(duì)稱性和統(tǒng)一性，時(shí)間和空間的對(duì)稱性和統(tǒng)一性。
對(duì)稱性原理具有真和美兩方面的價(jià)值，在現(xiàn)代物理學(xué)中起著重要的作用。對(duì)稱本身具有明顯的美學(xué)品格。狄拉克甚至認(rèn)為，讓方程中具有美感比它符合實(shí)驗(yàn)更重要；一個(gè)人若從尋找他的方程的優(yōu)美這種觀點(diǎn)出發(fā)，而且他確實(shí)具有深刻洞察力，那么，他必然就是在一條可靠的發(fā)展路線上。狄拉克遵循他本能提供的通向美的向?qū)Ф斑M(jìn)，獲得了深刻的真理，即使這種真理與實(shí)驗(yàn)相矛盾。他的反物質(zhì)理論就是沿著這條路線得到的。
3.統(tǒng)一思想
自然界的和諧統(tǒng)一必然導(dǎo)致物理規(guī)律的統(tǒng)一性?？茖W(xué)的發(fā)展史，可以說就是一步一步從小范圍統(tǒng)一逐漸發(fā)展到大范圍統(tǒng)一的歷史。
運(yùn)動(dòng)電荷磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，第一次揭示了電與磁的統(tǒng)一。電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和位移電流假設(shè)的提出，更深地把電與磁的相互轉(zhuǎn)化統(tǒng)一了起來。電磁場(chǎng)理論的建立和電磁波的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，把電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)統(tǒng)一了起來。
物理學(xué)理論的發(fā)展經(jīng)歷了幾次大的綜合統(tǒng)一。
17世紀(jì)，伽利略研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)，打開了通向近代物理學(xué)的大門。牛頓“站在巨人們的肩膀上”，把地面上物體的運(yùn)動(dòng)和天體運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來，揭示了天上地下一切物體的普遍運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了經(jīng)典力學(xué)體系，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第一次大綜合。
18世紀(jì)，經(jīng)過邁爾、焦耳、卡諾、克勞修斯等人的研究，經(jīng)典熱力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)正式確立，從而把熱與能、熱運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)與微觀機(jī)制統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上的第二次大綜合。
19世紀(jì)，麥克斯韋在庫侖、安培、法拉第等物理學(xué)家研究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過深入研究，把電、磁、光統(tǒng)一起來，建立了經(jīng)典電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)史上第三次大綜合。
至此，經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和經(jīng)典電磁理論形成了一個(gè)完整的經(jīng)典物理學(xué)體系，一座金碧輝煌的物理學(xué)大廈巍然聳立。
20世紀(jì)，愛恩斯坦相對(duì)論統(tǒng)一了力學(xué)運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)，把時(shí)間、空間、物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了起來，說明了質(zhì)量守恒與能量守恒的統(tǒng)一性；量子理論實(shí)現(xiàn)了波粒二象性的統(tǒng)一；弱電統(tǒng)一理論實(shí)現(xiàn)了電磁作用與弱相互作用的統(tǒng)一?，F(xiàn)在物理學(xué)家正在追求大統(tǒng)一理論，以期實(shí)現(xiàn)四種相互作用理論的和諧統(tǒng)一。
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