在科学史的殿堂中，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是有史以来最伟大的思想家之一，但他的名字却常常被人们所忽视，人们通常更青睐于牛顿、达尔文或爱因斯坦。

但他的工作不仅推动了物理学的发展，还重新定义了我们对现实的理解。麦克斯韦的电磁方程奠定了无线电、电视、Wi-Fi，甚至量子力学的基础。他对统计力学的深刻见解为现代热力学铺平了道路。他在光学领域的发现促成了彩色摄影的诞生。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦

阿尔伯特·爱因斯坦认为麦克斯韦开创了物理学的新纪元，他说：

“这是自牛顿以来，我们对物理学现实的理解最深刻、最富有成果的变化。”

麦克斯韦并非追求名利的人。他安静内敛，动力源于永不满足的好奇心，而非对认可的渴求。他的思维水平甚至连同时代的人都难以理解。他在剑桥大学的数学导师威廉·霍普金斯如此描述他：

“他是我见过的最不寻常的人……他似乎不可能对任何物理问题产生错误的想法。”

麦克斯韦的发现以他自己从未想象过的方式塑造了现代世界。要理解他是如何做到这一点的，我们必须回顾他诞生的世界——一个充满工业、革命和科学变革的世界。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于 1831 年 6 月 13 日出生于苏格兰爱丁堡，这是苏格兰启蒙运动的中心城市。

而在这样一个思想革命的时代，苏格兰涌现出许多哲学、科学和工程领域的杰出人才。大卫·休谟重塑了我们对人类理性的理解，亚当·斯密奠定了现代经济学的基础，詹姆斯·瓦特则用蒸汽机彻底改变了工业。

但在苏格兰之外，世界正处于动荡之中。政治上，英国正处于转折点，那时英国正深陷1832年《大改革法案》的争论，这是一场旨在将投票权扩展到贵族之外的重大政治斗争。工业革命为工厂主创造了巨额财富，而许多工人却面临着残酷的工作条件和贫困。成千上万的人走上伦敦街头，抗议民主改革，而政客们担心英国可能会步法国后尘。法国刚刚经历了1830年的七月革命，这场起义推翻了查理十世国王，并以“公民国王”的身份取代了路易-菲利普。

欧仁·德拉克洛瓦的《自由引导人民》：一幅七月革命的寓言画。

在大西洋彼岸，美国在安德鲁·杰克逊总统的领导下迅速扩张，关于奴隶制、民主和工业化的辩论塑造着这个年轻国家的未来。与此同时，在科学界，查尔斯·达尔文刚刚乘坐贝格尔号启航，这段旅程最终成就了他的进化论。

贝格尔号战列舰

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就出生在这个政治动荡、工业增长和科学发现的时代。

麦克斯韦的家庭富裕却低调。他的父亲约翰·克拉克·麦克斯韦是一位对科学充满热情的律师，母亲弗朗西丝·凯是一位虔诚的宗教信徒，受过良好的教育，她负责麦克斯韦的早期教育。

麦克斯韦从小就展现出对世界永不满足的好奇心。他会花上几个小时观察光、运动和力学，并向父亲问无数关于事物运作方式的问题。他小时候最喜欢说的一句话是“这是怎么回事？”。他总是用这种方式要求父亲解释他所看到的一切。

然而悲剧在麦克斯韦尔八岁时降临。他的母亲，他的第一个老师和最亲密的伙伴，因腹部癌症去世，而同样的疾病也将在后来夺走他的生命。

他的父亲虽然很爱他，独自承担着他的教育，但他聘请了一位严厉且缺乏想象力的导师，这位导师认为麦克斯韦尔学习迟缓、注意力不集中。然而事实并非如此，麦克斯韦尔的思维水平远远超出了他的导师的理解范围。

他的父亲意识到儿子需要更好的环境，于是在他十岁时就送他进入了爱丁堡学院。

马克斯韦尔穿着自制的鞋子和乡村风格的束腰外衣来到学校，在城里男孩中显得格外显眼。他浓重的苏格兰口音和古怪的举止，被他们嘲笑为“傻瓜”。但没过多久，他们就意识到这个“乡下男孩”并不傻。

他拥有过目不忘的记忆力，能背诵弥尔顿《失乐园》和《圣经》的长篇大论，更重要的是，他的数学能力令人惊叹。

14岁时，麦克斯韦撰写了他的第一篇科学论文，详述了一种使用大头针和细绳绘制椭圆曲线的新方法。进展顺利，这篇论文被提交给了爱丁堡皇家学会，尽管他年龄过小，无法亲自提交。这篇论文的重要性更多地在于它对麦克斯韦一生的影响，而非其内容。尽管论文的部分内容具有原创性，但笛卡尔早在麦克斯韦开始工作之前就已经记录了其中的大部分内容。然而，论文的成就并非在于这些想法的新颖性，而在于这些想法在麦克斯韦仅仅14岁时就被构思出来。这篇论文帮助麦克斯韦接触到一些对他影响最大的人，并开启了他的数学生涯。

“我仔细看过你儿子的论文，我认为它非常有创意，在他这个年纪绝对非常了不起；而且我相信它有很大的创新性。”——爱丁堡大学教授詹姆斯·福布斯对麦克斯韦的父亲说。

16岁时，他进入爱丁堡大学，在那里他汲取了跨学科的知识。与同龄人不同，他没有墨守成规，而是自学了几何、光学和电磁学，为日后的突破奠定了基础。

19岁时，麦克斯韦转学到剑桥大学三一学院，他的非凡才华立刻得到了认可。他的导师威廉·霍普金斯对他能够直观地理解复杂物理概念的能力感到惊讶，他经常用几何而不是代数来解决问题。

正是在剑桥，麦克斯韦解决了当时最大的两个科学谜团：

土星环的真实本质色彩视觉的科学

天文学家们对土星环的性质争论了两百多年。它们是固体、液体，还是完全不同的物质呢？麦克斯韦运用数学物理证明了土星环不可能是固体或液体。相反，它们一定是由无数个独立围绕土星运行的小粒子组成。他的结论非常精确，以至于一个多世纪后，也就是20世纪80年代，美国宇航局的“旅行者”号太空探测器证实了这一点。

左图：旅行者2号在3000万英里外拍摄的土星伪彩色照片，突显了该行星大气中的条纹。中图：在1300万英里外拍摄的这张照片中，可以看到土星及其三颗卫星——土卫三（上方，其阴影笼罩着土星）、土卫四和土卫五。右图：在250万英里外，可以看到土星B环的辐条。

与此同时，麦克斯韦在色觉方面进行了开创性的研究。他基于托马斯·杨的三色理论，证明了所有可见颜色都可以由红、绿、蓝光产生。他设计了一系列精确控制的实验，制造了一种名为“色陀”的装置，这实际上是一个涂有不同颜色部分的旋转圆盘。通过高速旋转圆盘，他能够混合颜色，产生不同的色调和色相。

通过实验，麦克斯韦证实了任何颜色都可以通过混合不同比例的红、绿、蓝光来产生。他还证明，如果将三原色按正确的比例混合，就能得到白色。这些结果为三色学说提供了有力的证据，奠定了现代色彩科学的基础。

1860年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）抵达伦敦国王学院时，物理学界仍在努力探究电磁的本质。得益于迈克尔·法拉第（Michael Faraday）的开创性实验，科学家们知道电磁之间存在联系，但当时还没有数学理论能够统一它们。许多人仍然认为电和磁是两种不同的力，而不是同一基本现象的不同方面。

然而，麦克斯韦看到了更深层次的东西。他认识到这些力不仅相互关联，而且与光本身有着内在的联系。他在国王学院的工作最终促成了物理学史上最伟大的统一之一，堪比牛顿运动定律和爱因斯坦相对论。

在麦克斯韦之前，电磁学领域最重要的进展是由英国实验物理学家迈克尔·法拉第取得的，他发现了电磁感应，而这正是发电机背后的原理！法拉第证明，变化的磁场可以感应出电流，从而提出了电力和磁力可以相互影响的观点。

但有一个问题，法拉第并非数学家，他的发现基于实验和直觉，他用“力线”之类的视觉图像来描述这些直觉。当时许多科学家，尤其是那些受过严谨数学物理训练的科学家，很难认真对待他的想法，因为他们缺乏正式的数学基础。

然而，麦克斯韦却与众不同。他既拥有对物理学的直觉理解，又拥有非凡的数学天赋。他认为法拉第的力线不仅是一种可视化电磁场的有效方法，更是一个可以用精确数学术语描述的真实物理实体。

他着手做前人未曾做过的事情：将法拉第的实验观察转化为完整、统一的数学理论。

1861年至1865年间，麦克斯韦孜孜不倦地致力于建立电场和磁场相互作用的数学描述。他的方法具有开创性，他不像前辈物理学家那样仅仅描述单个实验。相反，他建立了一套能够解释所有电磁现象的通用方程。

1861年，麦克斯韦发表了他第一篇重要的电磁学论文《论物理力线》。在论文中，他提出电磁场是真实存在的物理实体，可以在空间中传播。为了阐明这一观点，他创建了一个力学模型，设想空间充满了微小的、旋转的涡旋状结构。虽然这个模型后来被废弃，但其背后的数学原理被证明是正确的。

在接下来的几年里，麦克斯韦不断完善他的想法，并于1865年发表了《电磁场的动力学理论》。这篇论文包含了我们现在所说的麦克斯韦方程组，这是一组由四个偏微分方程组成的方程，描述了电场和磁场如何演化和相互作用。

这些方程表明：

电场和磁场是同一种力的两个方面。变化的电场产生磁场，变化的磁场也产生电场。这种动态相互作用意味着电磁力是一种单一、统一的力，而不是两种独立的力。电磁波可以在空间中传播。麦克斯韦方程组预测，电场和磁场可以一起振荡，并以波的形式在真空中传播，这在当时是一个完全革命性的想法。这些波的速度恰好就是光速。麦克斯韦计算电磁波的传播速度时，发现它几乎与已知的光速完全吻合。这是关键的突破，这意味着光本身就是一种电磁波。

高斯电场定律

该方程表明，电位移场的散度D等于自由电荷密度ρ 。这意味着电场线起源于正电荷，终止于负电荷。简而言之，电荷是电场的来源。

高斯磁力定律

该方程表明磁场B的散度始终为零，这意味着不存在磁单极子（孤立的磁荷）。相反，磁场线始终形成闭合环路。

法拉第电磁感应定律

这个方程描述了变化的磁场( B ) 如何感应出循环电场( E )。它解释了变压器和发电机背后的原理——当磁场随时间变化时，会产生电场。

安培定律（含麦克斯韦修正）

该方程表明，循环磁场（H ）由以下任一因素产生：

电流J （如电线中的电流），或随时间变化的电位移场（D ）。

麦克斯韦添加了第二项∂D/∂t ，称为位移电流，这使得这些方程可以预测电磁波（如光和无线电波）。

物理学家首次拥有了一个能够解释电、磁和光学的理论。光并非某种独立而神秘的实体，它只是一种以特定频率振动的电磁波。这一发现彻底改变了物理学，并为几乎所有涉及电磁波的现代技术奠定了基础。

麦克斯韦的发现直接挑战了几个世纪以来关于光的假设。在他之前，大多数科学家认为光要么是粒子流（牛顿的微粒理论），要么是简单的波，穿过一种名为“光以太”的神秘物质。

麦克斯韦将这些想法抛诸脑后。他的理论表明，光不需要介质传播，它是一种自持的电场和磁场的振荡。这一思想后来在爱因斯坦的相对论中发挥了关键作用，爱因斯坦的相对论彻底否定了以太的存在。

起初，麦克斯韦方程组纯粹是理论性的。当时还没有人观测到独立于可见光的电磁波。然而，二十年后，也就是19世纪80年代，德国物理学家海因里希·赫兹开始检验麦克斯韦的预测。

赫兹进行了一项产生无线电波的实验，证明了肉眼不可见的电磁波可以存在并在太空中传播，正如麦克斯韦所预言的那样！这一发现直接导致了无线电通信的发展，后来，第一个实用无线电传输系统的发明者古列尔莫·马可尼对此进行了扩展。

麦克斯韦的工作还为 X 射线、雷达、电视和无线互联网铺平了道路，所有这些技术都依赖于电磁学原理。

麦克斯韦方程组的作用远不止统一了电磁学，它重塑了物理学家理解宇宙的方式。他的发现标志着物理学的第二次伟大统一（继牛顿运动定律之后）。它表明，自然界中的力并非孤立存在的现象，而是更深层次统一体的一部分。

阿尔伯特·爱因斯坦深受麦克斯韦研究的影响，他基于光速是普适常数这一事实，提出了狭义相对论，这与麦克斯韦方程组的预言一致。爱因斯坦后来评论说，麦克斯韦的洞见是物理学史上最重要的一步。

此外，麦克斯韦的工作奠定了量子力学的基础。他的方程正确地描述了电磁波的连续性，但后来的实验表明，光也具有粒子特性，这一悖论最终导致了20世纪量子理论的发展。

到了19世纪70年代末，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦所取得的成就远超大多数科学家毕生所能想象。他统一了电、磁、光，奠定了电磁波的基础，而电磁波后来又为无线电、电视和无线通信提供了动力。他通过统计力学的研究彻底改变了热力学，并为气体的性质提供了新的见解。他还开创了彩色视觉科学，帮助彩色摄影成为可能。

然而，尽管做出了这些不朽的贡献，麦克斯韦却从未追求名利。他始终谦逊慷慨，全身心投入工作，从不吹嘘自己的成就。无论从哪方面来说，他都是一位科学家中的科学家，驱动他前进的动力并非来自名望，而是来自对宇宙永不停止的好奇心。

麦克斯韦年近五十，仍在剑桥大学继续工作。他成为剑桥大学首位卡文迪什物理学教授，并建立了卡文迪什实验室，这是世界上最伟大的实验物理中心之一。然而，在他沉静而有条不紊的才华背后，却笼罩着一个阴影，一个他无法逃脱的命运。

1879年初，麦克斯韦开始出现持续性胃痛和消化问题。起初，他只是觉得这些小病痛没什么大不了的，不让它们影响工作。他一直体格健壮，经常骑马，也参与户外活动，所以他觉得没有理由放慢脚步。

但几个月过去了，疼痛变得难以忍受。他的体重急剧下降，进食也越来越困难。到1879年6月，他已经无法长时间站立。他的妻子凯瑟琳·麦克斯韦尔（Katherine Maxwell）深感担忧，坚持要带他去看医生。

诊断结果令人沮丧：腹部癌症，在他八岁时，他的母亲就因这种疾病去世了。麦克斯韦虽然深谙物理和数学，但对医学却知之甚少。他意识到自己病情的严重性，在19世纪，癌症就如同死刑，没有有效的治疗方法，手术又极其危险。麦克斯韦当时只有48岁，但他知道自己时日无多。

即使面对着剧痛，麦克斯韦也拒绝停止工作。他继续在剑桥大学授课，监督卡文迪什实验室的研究，并不断完善他的方程式。他的妻子凯瑟琳一直陪伴在他身边，在他病情恶化时悉心照料他。

尽管痛苦不堪，他却从未抱怨。在他生命的最后几个月里，探望他的人都对他平静地接受命运的态度印象深刻。麦克斯韦，这位始终如一的科学家，并没有沉湎于即将到来的死亡。相反，他专注于自己尚能成就的事情。

基督教信仰给予他慰藉与平静，他以贯穿其一生的沉静决心，走向人生的最后时光。一位探望他的牧师评论道，麦克斯韦尔坚定不移的信仰和智慧，直至生命尽头依然屹立不倒。

1879年10月，麦克斯韦意识到自己体力不支，便离开剑桥，前往位于苏格兰的家族庄园格伦莱尔。他希望在自幼便深爱的乡村度过人生的最后时光。

1879年11月5日，在经历了短暂而剧烈的痛苦之后，麦克斯韦去世，享年48岁。据说，他的遗言反映了他一生的感恩之心：

“我一直在想，我一直以来受到的对待是多么温柔啊。”

他被埋葬在苏格兰邓弗里斯和加洛韦的帕顿教堂小墓地，靠近他童年的家。

与牛顿和达尔文不同，麦克斯韦没有举行国葬，也没有隆重的仪式。他的离世平静无波，如同他生前一样。