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2019-04-01近代物理的先驅－馬克士威
592 期
Author 作者
賴昭正／前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊。
在《科學月刊》539期〈規範對稱與基本粒子〉一文裡，筆者已介紹規範對稱及基本粒子的發展史，因此在撰寫《泛科學》〈基本粒子的標準模型〉一文時，本想只做個敘述性的總結，但卻情不自禁地一直想到馬克士威（James Maxwell）這一位對近代科學發展擁有重大影響的物理巨擘。眾所周知，近代物理學的兩大發展是相對論及量子力學。相對論鼻祖愛因斯坦曾毫不諱言地表示：「特殊相對論源自於馬克士威的電磁場方程式。」 敲響量子力學之鐘的普朗克（Max Planck）則表示：「他（馬克士威） 的偉大無人能比！」事實上，《物理世界》（Physics World）在 20世紀結束前，對100位當時被認為最傑出 的物理學家的問卷調查中，馬克士威被評選為有史以來第三大物理學家，僅次於愛因斯坦和牛頓。可是除了物理和化學領域的科學家外，又有多少人知道他呢？更遑論家喻戶曉了！因此決定寫一篇專文介紹他。
風光的職業生涯
馬克士威於1831年出生於蘇格蘭愛丁堡的富裕家庭，父親是一位律師，母親在他8歲時就過世了。他從小便喜好幾何及具好奇的個性，因此由父親及嬸母家教到10歲才進入一名校小學，在13歲獲得數學、英文及詩詞獎前，成績平平不起眼；14歲時發表了一篇以機械法用麻線畫數學曲線的數學論文，及闡釋橢圓、笛卡爾橢圓和具有2個以上焦點的相關曲線之性質的科學論文。同年，他也可以背誦聖經，後來成為福音派新教徒；像牛頓一樣，他認為宗教是私人事務，也認為科學與宗教之間沒有衝突。17歲時進入愛丁堡大學（University of Edinburgh），在那裡他開始接 觸到化學、電和磁等儀器，對偏振光（polarization）特別感興趣。18歲時在愛丁堡皇家學會會刊上發表2篇論文。1850年進入英國劍橋大學，4年後以第2名成績（Second Wrangler） 取得數學學士學位。1855年就被選上劍橋大學三一學院（Trinity College）的院士；隔年25 歲時被授予愛丁堡最高數學獎，成為蘇格蘭馬歇爾學院 （Marischal College）的教授兼系主任：除了授課，還免費到附近各社區學院演講。
1860年，當馬歇爾學院與其它學院合併成亞伯丁大學（University of Aberdeen）時，馬克士威因教職「過 剩」而被迫離職，最後進入倫敦國王學院（King’s College）。馬克士威在倫敦一直待到1865 年，完成許多著名的工作。後續回到蘇格蘭的家中6年，致力於實驗、計算和寫作。 他在1866年寫道：「我現在有許多 時間做我任公職時無法做的事情：實驗和胡思亂想物理。」《電磁通論》（A Treatise on Electricity and Magnetism）一書大部分的內容就是在這期間完成的。1871年，回到劍橋大學擔任第一任的卡文迪西實驗室 （Cavendish Laboratory）物理教授，負責興建實驗室，為近代科學史上的第一個「專業」科學實驗室，為後來電子、中子及DNA等的發現地，培養出數十位諾貝爾獎得主。1879年， 因腸癌於48歲英年早逝。
一統電磁的馬克士威方程式
馬克士威在國王學院裡結識於皇家學院工作的年邁法拉第（Michael Faraday），開始其創世紀的電磁場研究。1861~1862年間所發表的4篇論文可說是將法拉第的力線（lines of force）實體化。法拉第從來沒有受過正式科學教育訓練，因此使用力線幫助想像，馬克士威則用抽象數學表示這些力線，謂時空的每一點都有一個構成「場（field）」的向量數值：「場」已經是了解基本粒子及相對論所必要的工具。
除了上述數學化法拉第的力線外，馬克士威也將當時已知的4 個電磁實驗結果：
（一）描述電荷與其靜電場之間關係的高斯定律（Gauss’ law）。
（二）磁極（荷）不可能單獨存在的高斯磁定律（Gauss’ magnetism law）。
（三）描述時變磁場如何產生（誘導）電場的法拉第定律（Faraday’ s law）。
（四）描述電流如何產生（誘導）磁場的安培定律（Ampère’s law）。
簡潔地以20個數學方程式表示。從那些簡潔的方程式中，他看出原來的安培定律只適用於穩定的電流情況，因此人為地加進稱為位移電流 （displacement current）的項目！位移電流不但解決時變電場如何產生（誘導）磁場的問題（安培—馬克士威定律），也讓馬克士威看出電磁本是一家人的對稱關係，使他成為第一位統合自然界2種不同作用力的科學家。也就是這一項令他在1865 年導出電磁波的存在，並證明光事實上就是一種電磁波！也正是由這一理論所推導出來的結果與實驗不合，因而推動近代量子物理的發展。......【更多內容請閱讀科學月刊第592期】