无权的董事


　　本来，凭学识和才能，让汤姆生担任大西洋海底电缆工程的电气工程师 是最合适的。可是，因为他在所有的董事中最年轻，起初没有得到重用。公 司让华特霍斯当了电气工程师。华特霍斯对电学并不精通，主要是靠关系上 去的。如果他能够虚心听取汤姆生的意见，倒也没有什么。但是他喜欢独断 专行，瞎指挥。汤姆生只是一个普通的董事，既无职又无权，他提出的技术 上的好些建议，都被华特霍斯随意否定了。
　　还有一件糟糕的事情，就是工程开始以后，才发现公司筹委会早就把电 缆说明书交给了承办厂商，而且在制造电缆了。那份说明书是华特霍斯凭主 观想象搞的。汤姆生和总工程师博拉特发现，说明书上的电缆直径比理论要 求小得多，但是要取消合同已经来不及了。因此，第一条大西洋海底电缆的 工程刚一开始，就陷入混乱中。由于当局用错了电气工程师，这项工程的成 功起码要推迟三年。
　　
　　为了寻找补救的办法，汤姆生带着他的学生，专门对铜的电阻率进行研 究。多亏他在格拉斯哥大学建立的物理实验室，给研究提供了很大的方便。 汤姆生希望，在没有办法增大直径的情况下，能够找出提高铜线导电率的方 法。他们把当时市场上的各种铜线都买来作了测试，发现它们的电阻率差别 很大，而且只要在铜里加入微量的特定物质，就可以使铜的电阻率减小很多。 根据设计，第一条大西洋海底电缆要用一千二百段铜线焊接起来，每段铜线 长两英里，如果各段铜线的电阻率不一样，就会使整个电缆的电阻率相差太 大。汤姆生及时解决了这个问题，对电缆铜材的规格提出严格要求，并且总 结出一套实用的测量方法，为制造出合格的电缆提供了保证。
　　当青年电学家把研究结果写成报告交给公司的时候，遭到了华特霍斯的 反对。这个顶头上司硬说自己的设计没有错，并且指责汤姆生好高骛远。承 办厂商也跟着专横的电气工程师，说汤姆生规定的铜材，标准太高，没有办 法达到。
　　事情关系到公司的命运，在总经理费尔特的支持下，董事会召开联席会 议进行辩论。汤姆生当场列举了通过实验得出的大量事实来说明自己的主 张。最后，他的意见被采纳了，厂商也不得不按照新的技术标准签定合同。
1857 年，电缆终于造好了。 沟通欧美大陆的第一条海底电缆就要沉放了，人们都很关心这件事。英
美政府拨出两艘海船，专门供给施工使用。电缆两头的登陆点，是加拿大的
纽芬兰岛和英属爱尔兰岛。这两个岛，一西一东，隔着大西洋，是欧美之间 相距最近的地方。
第一条大西洋海底电缆的铺设，历经了风险、灾祸和失败，整个工程真
可以称得上是人类通信史上的一篇壮丽史诗。 电缆工程开始铺设的时候，电气工程师华特霍斯却借口“身体不舒服”，
拒绝随船出航。董事会请汤姆生来代理他的职务，虽然没有薪金，汤姆生还
是答应了。不巧的是，电缆沉放到三百三十海里①的时候，意外地发生断裂， 第一次沉放失败了。就算这次沉放成功，也还存在着信号微弱，接收困难的 问题。
汤姆生没有因为受到挫折就气馁。他对事故进行了分析，找出了电缆断
裂的原因是由于表层机械强度不够，这一点不难解决。关键的问题是怎样接 收弱电信号。那时，电子管还没有出现②，没有电子放大电路，用当时通用的 电报终端机不可能接收电缆终端的信号。青年电学家下了决心：一定要赶快 把灵敏度更高的电报机研制出来！
　　汤姆生把全副精力都倾注在格拉斯哥实验室里，有很多学生给他当助 手。这个年轻的物理学教授试了很多方案，都没有成功。1857 年的秋天和冬 天，他在探索中度过了。
第二年初，一个阳光和煦的日子，汤姆生约了几个朋友到海滨去玩，其 中有赫尔姆霍茨（1821－1894）。赫尔姆霍茨是德国著名物理学家，在电学 和热力学方面都有贡献。他比汤姆生大三岁，但是很钦佩这个才气横溢的朋 友，他曾经对别人说：“我站在他的身旁，常常觉得自己象一只木鸡。”这 一天，他们五六个人接受汤姆生的邀请来到海滨，租了一条游艇。大家兴冲



① 海里是海上的长度单位，一海里等于一千八百五十二米。
② 参看本书最后一篇《给无线电装上心脏的人》。

冲地上了船，准备开船的时候，忽然发现汤姆生不在了。朋友们寻找了好一 阵，都没有找到他。赫尔姆霍茨扫兴地在甲板上来回踱着步子，另外几个人 坐在一边聊天。后来，赫尔姆霍茨无意中向船舱里望了一下，发现汤姆生正 躲在下面搞他的运算。汤姆生平常总随身带着个笔记本，一有什么新的科学 设想，就立刻记下来。这一天，大约又有什么新的设想了。赫尔姆霍茨看见 汤姆生丢下朋友们不管，又好气又好笑。他从衣袋里取出一面镜子对着太阳， 把阳光反射到这个“逃兵”的脸上。汤姆生正在聚精会神地画着新的电报机， 忽然觉得一个刺眼的亮点在眼前晃动。他抬头看见赫尔姆霍茨的笑脸，才知 道自己得罪了朋友。这个失礼的主人正想站起来赔不是，突然望着赫尔姆霍 茨手里的镜子发呆。紧接着，他狂喜地喊了起来：“成啦！成啦！我的赫尔 姆霍茨！”朋友们还没有弄明白是怎么回事，他就撒腿跑回学校做实验去了。 原来，汤姆生正在为弱信号放大的事发愁，在阳光下反光的镜子启发了他。 镜子只要在手里稍微移动一点，远处的光点就会大幅度地跳动，这不就是一 种放大嘛！根据这个原理，不久以后，汤姆生就发明了镜式电流计电报机， 并且取得了专利。这种装置，高斯（1777－1855）①和韦伯（1804－1891）② 也设计过，但是都没有达到实用水平。汤姆生发明的这种电报机，灵敏度很 高，给长距离电缆通信提供了实用的终端设备。
万事俱备，只缺东风。汤姆生期待着第二次出征。

劈浪向前


　　1858 年春夏之交，大西洋海底电缆沉放工程再次开始了。华特霍斯又拒 绝出海。汤姆生从大局出发，还是承担了代理电气工程师的工作。他没有职 务，没有薪金，责任却很大。
“亚加墨娜”号海船载着电缆从北美出发，东渡大西洋。汤姆生负责实
验室的工作。不料，海船驶进大西洋的第二天，海上突然起了暴风。汤姆生 他们不顾危险，一面沉放电缆，一面劈浪向前。大风大浪持续了整整一个星 期。近二千公里的电缆绕在甲板上，足有两百多吨重，船在风浪中颠簸得很 厉害，没有多久，电缆就把甲板撞穿一个大洞，海水浸进下面的电气实验室。 电缆也绞在一起，不能顺利沉放。后来，幸亏风浪平息了，船员们才腾出手 来把船抢修好。“亚加墨娜”号在海上搏斗了一个多月，终于在八月三日驶 进爱尔兰。当时汤姆生高兴的心情，就象他父亲当年得知他选上教授的心情 一样，几乎到了发狂的程度。八月五日上午，电缆着陆。下午三点五十五分， 汤姆生拍发出从欧洲到美洲的第一份电报。五分钟以后，美洲一端清晰地收 到了信号。茫茫的大西洋终于被征服了！消息传开以后，大西洋两岸的人们 都感到欢欣鼓舞。
汤姆生为大西洋海底电缆的制造和铺设建立了特大的功勋，受到人们热 烈赞扬。他在海上表现出的坚定和沉着，更是赢得了很多人的尊敬。但是， 他所有的工作都是义务的，没有报酬。就连电流计式电报机，也是他自己花 钱研制的。而且，他在“亚加墨娜”号尽管是电气总指挥，但是大功告成以 后，登陆上岸，他的“将印”就被华特霍斯收回去了。



① 高斯，德国著名数学家、物理学家和天文学家，在不少科学领域里有重大贡献。
② 韦伯，德国物理学家，曾经同高斯合作，建立了电磁学中的高斯单位制。

　　狂妄自大的华特霍斯擅自决定把汤姆生的电流式电报机取下来，换上了 他自己设计的终端机。可是他设计的装置，根本收不到弱电信号，整整一个 星期，第一条大西洋海底电缆连一条消息都没有传递过。这个事故，使公司 董事和英美两国舆论界大为惊异。经过调查，才知道是华特霍斯的装置引起 的。公司责成他换上了汤姆生的终端装置。八月十三日，大西洋海底电缆终 于正式通报。但是，由于华特霍斯只换了一部份装置，英国女王一封不到一 百字的电报，竟用了十六个多小时才传到纽芬兰岛，而对方拍回来的电报却 只用了六十多分钟，因为美洲终端一直采用汤姆生的装置。
　　在铁的事实面前，华特霍斯被撤了职。汤姆生正式成为公司的电气工程 师。汤姆生为人宽宏大量。他虽然取得了胜利，却并没有全盘否定前任的工 作，还说华特霍斯在使公众相信大西洋海底电缆可能铺成这方面，是有贡献 的。
　　科学的道路总是不平坦的。第一条大西洋海底电缆使用一个月以后，发 生了严重的故障，信号变得模糊不清。又过了两个星期，电缆完全损坏，刚 建立的横跨大西洋的通信中断了。公众反映十分强烈，出现了各种各样的批 评。汤姆生他们经过一番努力，发现是电缆的制造不合要求，绝缘层抗腐蚀 性能太差，电缆在海水里浸泡一段时间以后就开始漏电，有的地方甚至完全 断裂了。
大西洋海底电缆公司在第一条电缆的建造中，耗费了几十万英镑，最后
还没有取得商业上的胜利，不少股东想打退堂鼓。汤姆生竭力宣传说，第一 条海底电缆虽然寿命不长，但是证明了长距离海底通信是完全可能实现的。 总经理费尔特也主张干下去。这位只比汤姆生大五岁的美籍负责人，在整个 工程中起了中流砥柱的作用。由于公司内部意见分歧，加上资金困难，建造 海底电缆的事情耽误了很久。后来，在政府的鼓励下，才开始制造第二条大 西洋海底电缆。
1865 年初，经过改进的第二条大西洋海底电缆制造出来了，汤姆生为它
花费了不少心血。公司也吸取了第一次的教训，在制造过程中有关技术问题 都先通过实验，证明可行以后再投入生产。当年六月，开始铺设第二条大西 洋海底电缆。五年以前，汤姆生滑冰摔断左腿，成了瘸子。他行动不便，还 是参加了远航，领导施工。这次沉放电缆的“大东”号海船，是一艘二万二 千多吨的巨轮，有六根主桅杆，三个大烟囱，船身高大雄伟，比上次的“亚 加墨娜”号壮观得多。俗话说，好事多磨。人们对这次沉放寄托了很大希望， 想不到“大东”号航行到大西洋中部的时候，电缆又意外折断，坠进了四千 米的深渊。不但沉放没有成功，连老本也赔上了。几年的心血付诸东流，汤 姆生和同事们异常痛心。他们乘着空船返航的时候，每人脸上都挂着晶莹的 泪花。
　　这次挫折损失惨重，公司当年就暂停了工作。同业们有的幸灾乐祸，有 的表示惋惜。
　　有一天傍晚，总经理费尔特到海边去散步。他远远望见汤姆生拄着拐杖， 面对着大海，夕阳映照着他的全身，象一尊古铜色的雕塑。
“教授，您在想什么？”总经理走近汤姆生的身边，亲切地问。 “海底电缆！”电气工程师凝视着大海。 “是呀，我们已经付出了九年的代价，”费尔特感慨地说。 汤姆生转过脸来，情绪激动地回答说：“费尔特先生，只要再造出一条

电缆，我保证能够成功！” “您有把握吗？”
“我相信大西洋阻挡不住人类的进步！” 汤姆生的精神感动了费尔特。公司鼓足了勇气，决定制造第三条海底电
缆。
大家又开始了紧张的奋战。 第二年春天，第三条海底电缆终于制成了。
　　1866 年四月，“大东”号再次启航，汤姆生还是担任电气工程师，主持 第四次沉放。有志者事竟成，这次沉放完全成功。六月中旬，海底电缆的终 端在爱尔兰登陆，很快就同美洲进行了通报，效果很好。永久性的大西洋海 底电缆终于完成了，全部工程整整进行了十年！
　　公司受到这次成功的鼓舞，几个月以后就派“大东”号第三次出航，顺 着第三次沉放电缆的路线，去寻找丢失的电缆。总经理费尔特和汤姆生两人 亲自上船指挥。经过一个多月的紧张搜索，他们在大西洋中部把断裂的电缆 打捞上来，然后再接上一段新电缆，一直延长到北美的纽芬兰岛。公司因祸 得福，有了两条完善的横贯大西洋的海底电缆。大西洋海底电缆铺设成功， 建立了全球性的远距离通信。它和电报的发明一样，是人类通信史上一座新 的里程碑。汤姆生因为开辟大西洋海底通信的功绩，获得了很高的荣誉。就
在 1866 年，他被英国政府封做爵士，1892 年又被授给“开尔文勋爵”这个
封号。以后，人们就称他“开尔文”。 一百多年过去了。今天，海底电缆仍旧是国际通信的一种重要手段。据
统计，目前英美两国之间每年的通话量达到二千万次，其中有一半以上是通
过海底电缆传送的。从这里，也可以看出开尔文当年工作的重大意义。根据 最近外国的报导，1979 年在英美之间铺设了一条最新的大西洋海底电缆，预 计在 1983 年投入使用，耗资一亿英镑，由欧美十八个国家分担。这条电缆铺 成以后，可以同时通四千路电话，还可以在欧美、加拿大之间进行计算机数 据和电报信息的传送。

他的伟大所在


　　开尔文在科学上的贡献是多方面的。三十岁以前，他就成了电磁理论的 开路先锋和热力学的奠基人之一。尽管他没有登上理论的顶峰，却为麦克斯 韦和赫兹开辟了道路。他是一名尖兵，一位伟大的科学向导。
　　在应用工程的很多互不相关的领域里，也能够看到他智慧的结晶。他当 了五十多年教授，其实是当了五十多年工程师。他不善于教课，有人曾经这 样描述过：“在他讲课的时候，学生实在没有办法听下去。有时，他想把声 音提高一点，结果，反而发出了听不清的单音来。”他主持的格拉斯哥大学 物理系，实际上成了应用工程系。他的很多工程发明，都是在这里的实验室 里试制出来的。
　　大西洋海底电缆铺设成功以后，开尔文继续替海底通信研究新装置。他 的后半生一直和大海联系在一起。1867 年，他制成了海底电报自动记录器（又 称做虹吸印码器）。这台新发明的记录器利用虹吸原理，用一根很细的虹吸 玻璃管，把静电墨水吸到转动的纸筒上。虹吸管装在一个悬在强磁极间的线 圈上。线圈接通电缆，信号电流通过电缆进入线圈的时候，虹吸管一端就发
　　
生扭转，在纸筒上划出信号波纹来。这样，大西洋彼岸发来的电信号就可以 自动记录下来了。在试制过程中，他还发明了圈转电流计等精密测量仪。
　　开尔文的发明专利使他有了很多收入，他渐渐成了富翁。但是他把大量 的金钱都用在新的研究上。1870 年，开尔文的弱不禁风的妻子害病死去。他 们结婚十八年以来，感情很好，可惜她没有能够同汤姆生共享天年。妻子去 世以后，开尔文买了一艘游艇，把全部精力放在航海研究上。他热爱大海， 喜欢乘风破浪地航行。过去几次横渡大西洋的情景，给他留下了难忘的印象。 开尔文以前在“大东”号上航行的时候，很留心罗盘常常受到铁壳船身干扰 的情况。他用自己的游艇做试验，经过细心研究，发明了几种很轻便的改良 罗盘，效果很好。他还发明了海水测深仪，研究过潮汐理论，并且用他的哥 哥杰姆发明的计算器预测潮水的高度。
　　除了航海上的这些发明以外，开尔文对电学测量也很有贡献。他的镜式 电流计不但成功地用在海底电缆通信方面，而且也是电学上的标准测量仪 器。另外，他还发明了绝对静电计、双臂电桥、累积功率计等。这些工程上 的发明，虽然没有一项是惊人的，但是对电学的发展都起了重要作用。电学 的标准单位欧姆、安培的确立，也是在开尔文的推动下完成的。
　　要逐一列举开尔文在理论科学和应用科学方面的贡献是困难的。他一生 做的工作太多太杂，因此有的传记作家说他“博而不专”。英国著名传记作 家克劳塞曾经这样评论他：“开尔文就因为对科学思想缺少健全的直觉，所 以不能在科学上完成更伟大的功绩。他能够翻过科学上丛山峻岭的一般障 碍，可是一到达山巅，就不能想象云雾以外的情景了。他只知道近旁的一切， 他在科学上没有远大的洞察力。他不能察觉光的电磁波属性已经孕育在自己 的研究里了。”正因为这样，他走到真理面前，又几次失之交臂。开尔文的 战功和失败，对今天的科学技术人员，还有值得借鉴的地方。
1896 年，格拉斯哥大学隆重集会，纪念开尔文荣任教授五十周年。来宾
有两千多人，包括从世界各地来的著名科学家。在纪念仪式上，来参加开会 的人用最真诚的语言赞扬他的功绩。这位七十二岁的勋爵在答辞中却说：
我在过去五十五年里所极力追求的科学进展，可以用“失败”这个词来
标志。我现在不比五十年以前，当我开始担任教授的时候，知道更多关于电 和磁的力，或者关于以太、电和重物之间的关系，或者关于化学亲合的性质。 在失败中必然有一些悲伤；但是在对科学的追求中，本身包含的必要努力带 来很多愉快的斗争，这就使科学家避免了苦闷，而且或许还会使他在日常工 作中相当快乐。
　　这一席话，使听众大为惊奇。作为一位举世闻名的科学巨匠、大西洋海 底电缆的创造者，他一生发表了六百多篇学术论文，获得了七十种发明的专 利，受到了二百五十多个学校和团体的敬仰，竟认为自己一生的事业可以用 “失败”两个字来形容。
这是一个在科学上从不满足的人的谦虚，也是他的伟大所在！

麦克斯韦和电磁理论


　　在科学史上，一些重大的理论，常常要靠许多人前赴后继、不辞劳苦的 努力，才能创立起来。十九世纪，导致物理学爆发一场革命的电磁理论的创 立，就是这样的。从奥斯特、安培发现电流的磁效应开始，经过法拉第的奠 基，到理论的完成，前后经历了半个多世纪。最后完成这个理论的人，是英 国杰出的数学物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。

父和子


　　麦克斯韦比法拉第小四十岁。1831 年十一月十三日，他生在苏格兰古都 爱丁堡，跟电话发明家贝尔（1847－1922）是同乡。法拉第发现电磁感应恰 好也在 1831 年。这一年就成了电学史上值得纪念的一年。
　　麦克斯韦的父亲约翰·克拉克·麦克斯韦，是个热衷于技术和建筑设计 的律师，对麦克斯韦的一生影响很大。约翰·克拉克·麦克斯韦思想开通， 讲究实际，非常能干。家里的大小事情，从修缮房屋、剪裁衣服到制作玩具， 他样样都会做。他在爱丁堡附近的乡下有座庄园，麦克斯韦的童年就是在这 座庄园里度过的。这个孩子从小喜欢思考问题，很受父母宠爱。小家伙跟着 父母出去玩，一张小嘴总要不停地提出各种各样的问题。沿途所见，从路边 的桑树、脚下的石块，直到行人的穿着表情，都成了他发问的内容。有些幼 稚可笑的问题，常常把过路人也逗乐了。一次他们看见路旁停着一辆空马车， 两岁的麦克斯韦突然问父亲：“爸爸，你看那辆马车为什么不走呢？”父亲 信口回答：“它在休息。”“它为什么要休息呢？”“大约是累了吧，”父 亲敷衍说。“不，”儿子纠正说，“它是肚子痛！”“不是肚子痛，是累了。” “不是累了，是肚子痛！”儿子一口咬定。父亲忍不住笑了起来。后来，麦 克斯韦稍大一点，提的问题更有意思了，比如“树木为什么向天上长”呀， “蚂蚁会不会说话”呀。有一天，麦克斯韦的姨妈给他带来一篮苹果。小家 伙缠住她问：“苹果为什么是红的？”姨妈被这个突然的问题难住了，一时 不知道怎样回答才好。为了摆脱窘境，她就叫麦克斯韦去吹肥皂泡玩。谁知 道这个主意更糟了。肥皂泡在阳光下呈现出美丽的五颜六色，使得麦克斯韦 又惊又喜，向她提出了更多的关于颜色的问题。父亲见儿子对自然感兴趣， 非常高兴，后来就带他去听爱丁堡皇家学会的科学讲座，当时他的个头还没 有讲台高呢！约翰·克拉克·麦克斯韦本人是皇家学会的活跃分子，儿子跟 随他经常出入科学界，受到不少熏陶。
　　麦克斯韦童年的欢乐是短暂的。他八岁那年，母亲患肺结核不幸去世。 这种病在今天是不难治好的，但是在一个世纪以前的当时，却是不治之症。 因为那时没有特效药，一个人得了肺病，就等于判了死刑。和麦克斯韦同时 代的英国女作家夏洛蒂·勃朗特（《简·爱》作者）三姊妹，贝尔的两个兄 弟，都是因为患肺病夭折的。
　　母亲去世以后，麦克斯韦的父亲挑起了哺养、教育儿子的全部担子。他 既是父亲，又兼做母亲，操了不少心。幼年丧母本来是不幸的，麦克斯韦失 去母爱，性情渐渐变得孤僻、内向。他最大的快乐，是形影不离地跟着父亲 走，给父亲当个小小的帮手。父子两人朝夕相处，相依为命，关系非常亲密。 麦克斯韦十岁那年，进了爱丁堡中学。中学的生活充满了喧闹和戏剧性。
　　
他是在学期中间插班的，第一天上课就受到全班的嘲笑。几个调皮学生看到 这个新来的同伴怯生、腼腆，直向他扮鬼脸。由于麦克斯韦童年一直在父亲 乡下的庄园里生活，讲话有很重的乡土音。当老师点名叫他回答问题的时候， 他刚一开口就引起哄堂大笑。有一次，大约因为发音太怪，连一位文质彬彬 的女教师都忍不住笑出泪来。从此老师就很少提问他了。更糟的是，他的衣 服全是父亲做的，与众不同。十九世纪英国的服装很讲究。妇女把华丽当做 时髦。男人却讲究戴高筒礼帽，不论老少，脖子上还要围一条紧绷绷的硬领。 麦克斯韦的父亲认为这不但系起来不方便，而且也不卫生。他不顾习俗，给 儿子来了个小小的服装改革。这个多才多艺的律师亲自设计、亲手剪裁，替 麦克斯韦做了一套简便的紧身服，可以不用穿外套，并且甩掉硬领的累赘。 麦克斯韦的皮鞋也是父亲做的，大约是为了缝合的方便，皮鞋头是方的，鞋 帮上还有金属纽扣。没料到，这些“奇装异服”却给麦克斯韦招来了许多屈 辱。他在班上成了一只名副其实的“丑小鸭”，处处被排挤，受讥笑。每次 放学回家，他不是紧身服被人扯破，就是腰带不翼而飞。父亲看到这种情景， 痛惜地摇摇头，决定取消这不走运的“服装改革”。儿子尽管眼泪汪汪，却 顽强地要坚持穿到底，因为他相信父亲的设计是无可非议的，他不愿向暴力 屈服。

少年数学家


　　麦克斯韦照样穿着父亲做的衣服进出课堂。他为了保持服装的整洁，常 常要用拳头自卫。
同学们发现这个新生并不是可以随便欺侮的，就有意孤立他。麦克斯韦
本来就怕羞，现在更不愿意和大家往来了。在班里，面对着同学们的热嘲冷 讽，他沉默着，但是却从来没有低过头。在忍无可忍的时候，他就用尖刻、 辛辣的话来进行回击。下课以后，他总爱独自坐在树下读歌谣，画一些只有 他自己才看得懂的图画。要不，他就一个人躲在教室的角落里，专心致志地 演算父亲给他出的数学题。同班同学都不理解他，老师也认为他是个古怪的 孩子。大家暗中给他取了个外号，叫他“瓜娃”。整个爱丁堡中学，只有低 年级的两个学生跟他很友好。那两个学生在班上大约也是受气的，可以说是 同病相怜。
就这样，麦克斯韦在冷眼中度过了中学的最初时光。
　　谁也没有想到，到了中年级的时候，出现了奇迹。一次学校里举行数学 和诗歌比赛，评选揭晓的时候，爆了个大冷门：两个科目的一等奖都由同一 个人获得。这个出类拔萃的少年不是别人，而是一向不被人看在眼里的麦克 斯韦！这不但使全班同学惊奇得睁大了眼睛，连级任老师也感到意外。他们 这才发现，这只灰色的“丑小鸭”原来是一只白天鹅。
　　这次比赛改变了麦克斯韦在班里的地位。优等生总是受崇拜的，再也没 有谁取笑他的服装和说话的声音了，同学们开始尊敬他，向他请教疑难问题。 麦克斯韦成为全校拔尖的学生，获得了许多奖励。他的光彩，看起来有些象 彗星那样突然出现，实际上却是刻苦学习的结果。麦克斯韦对数学、物理学 有浓厚的兴趣，尤其喜欢数学。他的数学天赋，最早是父亲在无意中发现的。 在麦克斯韦还只有几岁的时候，有一天，父亲叫他画插满金菊的花瓶。麦克 斯韦画完交卷的时候，父亲拿过他的画，边看边笑了起来。因为满纸涂的都
　　
是几何图形：花瓶是梯形，菊花成了大大小小一簇圆圈，还有一些奇奇怪怪 的三角，大概是表示叶子的。从这以后，父亲就开始教他几何学，过后又教 他代数。于是，他和数学结下了不解之缘。后来，他在数学竞赛中夺得了冠 军，决不是偶然的。
　　麦克斯韦的数学才华，使他很快突破了课本的界限。他还没满十五岁， 就写了一篇数学论文，发表在《爱丁堡皇家学会学报》上。一个最高学术机 构的学报刊登孩子的论文，是罕见的，麦克斯韦的父亲为这件事感到很自豪。 论文的题目，是讨论二次曲线的几何作图。据说这个问题，当时只有大数学 家笛卡尔（1596－1650）①曾经研究过。麦克斯韦的方法同笛卡尔的方法不但 不雷同，而且还要简便些。当审定论文的教授确证了这一点的时候，都感到 非常吃惊。1846 年四月，这篇论文在皇家学会上宣读。通常宣读论文的都是 作者本人，这一次却不是。因为考虑到麦克斯韦实在太年轻了，论文是由一 位教授代读的。
　　麦克斯韦不但是个少年科学家，而且还是个小诗人。有趣的是，历史上 不少著名的科学家都能做诗。罗蒙诺索夫常常把写诗当做消遣，他的颂歌很 受叶卡德琳娜女皇青睐。因为这个缘故，罗蒙诺索夫几次幸免于政治迫害。 化学大师戴维也是一位诗歌高手，只是因为他在科学方面的成就非常大，他 的诗歌创作的光华才被掩盖了。麦克斯韦的诗歌，成就虽然不及罗蒙诺索夫， 却也自成一格。他的诗常被同学传抄、朗诵。麦克斯韦一生都没有放弃过写 诗的爱好，不过，他却从来没有想过要当一个诗人。他的诗多半是即兴的作 品，他常常在亲友们欢聚的时候给他们朗读自己的诗。诗的内容，有不少是 科学题材。
麦克斯韦在中学时代，还喜欢玩陀螺。它类似我国儿童玩的那种陀螺，
玩的时候用绳子不断地抽打，陀螺就不停地在地上旋转。据说他一生都爱玩 陀螺，还教他的许多朋友玩过。另外，对一种叫做活动画筒的玩具，他也有 强烈的兴趣。麦克斯韦的这两种爱好，不单纯是为了娱乐，主要还是为了探 索科学的道理。这两种玩具的原理，后来都被他应用到科学上去了。
1847 年秋天，十六岁的麦克斯韦中学毕业以后，考进了苏格兰最高学府
爱丁堡大学，专门攻读数学和物理学。他是班上年纪最小的学生，坐位在最 前排，站队总是在最后，书包里揣着陀螺和诗集。这个前额饱满、两眼炯炯 有神的小伙子，很快就引起了全班的注意。他不但考试名列前茅，而且经常 对老师的讲课提出问题。有一次，他指出一位讲师讲的公式有错误。那个讲 师起初不相信，回答说：“如果是你的对了，我就把它称做麦氏公式！”讲 师晚上回家一验算，果然是自己讲错了。
　　到大学二年级的时候，麦克斯韦掌握的知识已经相当广泛了。除了学习 必修的功课，他还开始自己搞研究，选题范围涉及光学、电化学和分子物理 学三个领域。这对锻炼他独立思考的能力起了很好的作用。不久，他在《爱 丁堡皇家学会学报》上又发表了两篇论文。一位赏识他的物理教授，还特许 他单独在实验室做实验。
爱丁堡大学给麦克斯韦留下了良好的回忆。在这里，他获得了登上科学 舞台所必需的基本训练。但是，三年以后，对麦克斯韦说来，这个摇篮显得 狭小了。为了进一步深造，1850 年他在征得父亲的同意以后，离开了爱丁堡，



① 笛卡尔，十七世纪法国著名数学家、物理学家和哲学家，曾经创立解析几何，在物理学上也有很大贡献。

转到人才辈出的剑桥大学学习。


利器在手


　　剑桥大学创立在 1209 年，是英国首屈一指的高等学府，有优良的科学传 统。牛顿曾经在这里工作过三十多年，达尔文（1809－1882）也是在这里毕 业的。十九岁的麦克斯韦初到剑桥大学，一切都觉得新鲜，他几乎每天都和 父亲通信，报告自己的见闻、感想和学习收获。第二年，他由于考试成绩优 异，获得了奖学金。当时，大学生大多数都是自费，获得奖学金的总是最勤 奋的学生。按照规定，获得奖学金的学生都在一起吃饭，因此，麦克斯韦结 识了一群有为的年轻人，他逐渐克服了少年时代的孤僻，活跃起来。不久， 他被吸收加入了一个叫做“使徒社”的学术团体。这个团体又叫做“精选论 文俱乐部”，专门评选学生中最优秀的论文。有意思的是，“使徒社”的名 称是根据《圣经》取的。因为耶稣只有十二个门徒，“使徒社”也只能由十 二个成员组成，所以整个剑桥大学每届只能有十二个学生属于这个团体。这 个团体实际上是一个小小的“皇家学会”，必须是最出类拔萃的学生才有资 格参加。
这个时期，麦克斯韦专攻数学，读了大量的专著。他的学习方法，不象
法拉第那样循序渐进，井井有条。他读书不大讲究系统性，有时为了钻研一 个问题，他可以接连几周其他什么都不管；而另一个时候，他又可能碰到什 么就读什么，漫无边际，象一个性急的猎手，在数学领域里纵马驰骋。
课后，“使徒社”的成员们常在一起讨论各种问题。他们很欣赏麦克斯
韦即兴创作的诗，但是要和他对话却很困难，因为麦克斯韦说起话来，和他 读书一样，常常是天马行空，前言不搭后语，一个题目还没有讲完，他又跳 到另一个题目上去了。他的思路过于敏捷，让人难以捉摸。再加上他还保持 着小时候的习惯，喜欢突然提一些奇怪的问题，比如“死甲虫为什么不导电 呢？”“活猫和活狗摩擦可以生电吗？”就更使人反应不过来了。有一次， 一位朋友同他到郊外散步。整个傍晚，大约都在讨论对某道难题的解法，麦 克斯韦不停地说着，对方生怕不能领会，听得很仔细，但是最后还是一句都 没听懂。麦克斯韦这种机枪式讲授法，给他后来当教授带来不少困难。他一 生都不被人理解。中学时候他的服装不被同学理解；大学时候他的语言不被 人理解；到后来，他的学说也是很长时间不被人理解。尽管“话不投机”， 社友们还是把他看做他们中间独一无二的人。麦克斯韦惊人的想象、闪电般 的思维能力、讥诮的诗句，把他们征服了。
　　这是一个奇才，需要名师指点，才能放出异彩。幸运的是，有个偶然的 机会，麦克斯韦果然遇上了伯乐，那就是剑桥大学的教授、著名数学家霍普 金斯。一天，霍普金斯到图书馆借书，他要的一本数学专著恰好被人先借去 了。一般学生是不可能读懂那本书的，教授有些诧异，向管理员询问借书人 的名字，管理员回答说：“麦克斯韦”。数学家找到麦克斯韦，看见年轻人 正埋头作摘抄，笔记上涂得乱七八糟，毫无秩序。霍普金斯不由得对这个青 年发生了兴趣，诙谐地说：“小伙子，如果没有秩序，你永远成不了优秀的 数学物理学家！”霍普金斯所说的数学物理学家，是指善于运用数学方法解 决理论问题的物理学家，通常也称做理论物理学家，需要在数学和物理学上 都有很高的造诣。从这以后，麦克斯韦成了霍普金斯的研究生。
　　
霍普金斯学问渊博，培养出了不少人才。有多方面成就的威廉·汤姆生
（就是著名的开尔文勋爵）和数学家斯托克斯（1819－1903），都是他的门 下。麦克斯韦在导师的指导下，首先克服了杂乱无章的学习方法。霍普金斯 对他的每一个选题，每一步运算都要求得很严格。那时，麦克斯韦还参加了 剑桥大学的斯托克斯讲座。斯托克斯比他大十二岁，在数学和流体力学上都 有建树，他在数学上的重要发现在科学史上曾经有记载。经过两位优秀数学 家的指教，麦克斯韦进步很快，不出三年就掌握了当时所有先进的数学方法， 成了有为的青年数学家。霍普金斯对他的评价是：“在我教过的全部学生中， 毫无疑问，这是最杰出的一个！”
　　尤其重要的是，麦克斯韦不是一个抽象的数学家。这一点也要归功于他 的老师。历来的数学家有两派，一派以古希腊的毕达哥拉斯（约前 580-约前
500）①为鼻祖，认为世界的本原就是抽象的数，数学决定一切；另一派以十 七世纪的笛卡尔为代表，他指出数学是客观事物的定量反映，也是一种知识 工具。这位解析几何的创始人，曾经针对那些纯粹的数学家说：“没有什么 比埋头到空洞的数学和抽象的图形中更无聊的了。”这两种对立的态度，导 致人们对数学持有两种不同的看法。一种把数学看做纯粹的符号，为数学而 数学；另一种却把生动的物理学概念同数学结合起来了，把数学当成研究物 埋学的手段。霍普金斯和斯托克斯都属于笛卡尔派。
麦克斯韦受到他们的直接影响，很重视数学的作用。他一开始就把数学
和物理学结合起来。这一点对他以后完成电磁理论，是重要的。
　　1854 年，二十三岁的麦克斯韦参加了数学学位考试。主考人是斯托克 斯，题目涉及曲面积分和线积分，难度很大。事后大家才知道，那是斯托克 斯刚发现的一个定理。这个定理后来对麦克斯韦的电学研究大有帮助。考试 结果，麦克斯韦获得了甲等数学优等生第二名。也就是这一年，他对电磁学 产生了浓厚的兴趣。法国浪漫主义作家乔治·桑（1804－1876）①说过：“在 抽剑向敌以前，必须练好剑术。”麦克斯韦现在掌握了过硬的数学本领，他 是利器在手，只等冲锋了。

接过法拉第的火炬


麦克斯韦毕业以后留在学校工作。起初，他研究的课题是光学里的色彩 论。不久他读到了法拉第的《电学实验研究》，马上被书中新颖的实验和见 解吸引住了。当时学术界对法拉第的学说看法不一致，有不少非议。主要原 因是“超距作用”的传统观念影响还很深，旧的大厦动摇了，但是并没有倒 塌；同时，也因为法拉第的学说在理论上还不够严谨。作为实验大师，法拉 第有许多过人的地方，唯独数学功夫不够，他的创见都是用直观的形式表达 的。一般的理论物理学家都不承认法拉第的学说，认为它不过是一些实验记 录。有个天文学家就公开宣称：“谁要是在精确的超距作用和模糊不清的力 线观念之间有所迟疑，谁就是对牛顿的亵渎！”在剑桥大学，学者们也有分



① 毕达哥拉斯，古希腊数学家、唯心主义哲学家，在西方首次提出勾股定理，但是他把数的概念神秘化了，
认为“凡物皆数”。
① 乔治·桑，法国著名女作家，她的小说暴露了资本主义社会的黑暗，塑造了下层人民的正面形象，曾经 得到恩格斯的好评。

歧意见。其中最有见识的，要算威廉·汤姆生了。这位青年教授对电学很有 研究，曾经多次向法拉第请教。在麦克斯韦毕业前一年，汤姆生发表了一篇 题目是《瞬变电流》的论文，指出莱顿瓶的放电有振荡性质。麦克斯韦见到 论文十分佩服，他特地写信给汤姆生，请求他告诉一些研究电学的门路。汤 姆生比麦克斯韦大七岁，他后来没有能够把电磁研究坚持到底。但是，他对 麦克斯韦却有不少帮助。麦克斯韦在给父亲的信里曾经高兴地谈到，汤姆生 很乐意指教他。
　　麦克斯韦受这位先行者的启示，相信法拉第的学说中包含着真理。他在 认真研究了法拉第的著作以后，省悟出力线思想的宝贵价值，也看到了法拉 第定性表述的弱点。这个初出茅庐的青年科学家决心用数学来弥补这一点。 一年以后，二十四岁的麦克斯韦发表了《论法拉第的力线》，这是他第 一篇关于电磁学的论文。在论文中，麦克斯韦通过数学方法，把电流周围存 在力线这个现象，概括做一个高等数学里的矢量微分方程。根据这个方程， 每一股电流都产生一条环状磁力线。这一年（1855），恰好法拉第结束了长 达三十多年的电学研究，他在科学笔记里写下了最后一个编号：5430。正是 “芳林新叶催陈叶，流水前波让后波”，麦克斯韦接过了这位伟大先驱者手
里的火炬，开始向电磁领域的纵深挺进。
　　《论法拉第的力线》这篇论文，虽然基本上是对法拉第力线概念的数学 “翻译”，却是十分重要的一步。因为麦克斯韦一开始就使用了数学方法， 而且选定了法拉第学说的精髓——力线思想，当做自己研究的起点。这表明 麦克斯韦的科学洞察力确实是不同凡响的。他认准了主攻方向，就坚定不移 地研究下去。他后来的一系列论文，步步深入，都是沿着这条正确道路走的。 这一点，是他比汤姆生高明的地方。汤姆生已经走到真理的边缘，却迟疑不 前；麦克斯韦抓住了真理，就锲而不舍。所以麦克斯韦尽管起步比较迟，却 第一个登上了光辉的顶峰。
科学的道路总是不平坦的。正当麦克斯韦的研究很有希望的时候，一桩
不幸的事情打断了他的计划。一天，他正在埋头研究几篇新近的电学资料， 邮递员送来一封家信。他拿到信，一眼看出不是父亲的笔迹，心头不由一惊。 他许久以来担心的事情终于发生了。父亲年老体弱，健康恶化，突然病倒在 床。那封信是父亲请别人代写的。麦克斯韦读完信，心里十分焦虑和难过。 他对父亲的感情是非常深的。从幼年起，父亲就是他的良师益友，也是整个 家庭的支柱。十几年来，他们朝夕相处，十分融洽。麦克斯韦离家求学以后， 他们几乎每天通信，交换各种科学思想和对社会的见解，也畅谈有趣的日常 生活。
　　为了照顾父亲，麦克斯韦只得离开剑桥大学，到离家比较近的阿伯丁工 作。阿伯丁是英国北部的一个海港，那里的一所学院答应让麦克斯韦担任自 然哲学讲师，可是需要等一段时间。麦克斯韦整夜守在父亲床前，尽力减轻 老人的病痛。但是不论他怎样小心伺候，还是没有挡住死神的降临。1856 年 春天快要到来的时候，父亲终于离开了人间。这在麦克斯韦生活中，无疑是 不可弥补的损失。他悲痛的心情久久不能平息。
　　不久，阿伯丁的马锐斯凯尔学院正式聘请他当自然哲学教授。麦克斯韦 在就职以前，回到剑桥大学办理一些事务，停留了好几个月。他当时的心情 很矛盾。对于母校，他是留恋的，而且父亲已经去世，他留在阿伯丁的意义 也不大了，更主要的是他的电磁研究刚刚开始，他不知道在阿伯丁有没有合
　　
适的研究条件。但是，马锐斯凯尔学院已经给他下了聘书，据说院长很赏识 他，他不好推脱，只得上任了。这一去，他的电磁研究竟推迟了四年。

在阿伯丁


　　在初冬的一片纷纷扬扬的雪花中，麦克斯韦来到了马锐斯凯尔学院。他 十一月开始正式任教。这时，他正好是二十五岁。讲座的名称叫“自然哲学”， 讲的内容实际上就是物理学，同哲学没有多大关系。
　　父亲的病故，工作的变动，打乱了麦克斯韦的研究程序。为了应付新开 的讲座，他实在没有时间继续搞研究，对电磁现象的探索只得搁置下来。但 是法拉第的学说，却象一团熊熊的烈火，一直在他胸中燃烧，使他不能平静。


　　麦克斯韦登台讲课以前，尽管花了很多时间进行准备，但是第一次走上 讲台，心情还是相当紧张。他竭力控制自己，心里默默地想着：讲慢点，再 讲慢点！可是一开讲，他的话却象脱缰的野马一样收不住，而且发音也不清 晰，连旁听的院长也不由暗暗替他着急。他不愧是“一挺机枪”，两个钟点 的内容一个钟点就“扫射”完了。他看见坐位上的学生大都目瞪口呆，就又 从头到尾讲了一遍。结果，听众还是面面相觑。究竟有多少学生听懂了这堂 课，连他自己也说不上来。最后，幸亏下课铃解救了他。
麦克斯韦决定反省自己的讲法。一天清晨，他在树林里一面练习纠正自
己的口音，一面向一片矮树丛比划着滑稽的手势。忽然，从他背后传来嗤嗤 的笑声。麦克斯韦回头一看，是一位身材小巧的姑娘，手里拿着本诗集，两 眼含着好奇的嘲笑。麦克斯韦一下子窘得满脸通红，赶紧表示自己的神志是 清醒的。那个姑娘问他为什么这样装腔作势，麦克斯韦讲了自己的苦衷。姑 娘听了越发笑得厉害，最后教了他一条妙计。她说：“只要你觉得控制不住 讲话的速度，你就咬住舌头，保险可以镇定下来。”麦克斯韦以后才知道， 这个姑娘叫凯塞琳，是院长的女儿，酷爱文艺。麦克斯韦按她说的去做，果 然有效。两个月以后，他高兴地写信给剑桥大学的朋友说：“谢天谢地，两 个月来我在讲台上总算没有闹过笑话。我一旦感到要走火了，立刻咬住自己 的舌头，就发不出声音了。”
就这样，麦克斯韦在阿伯丁开始了教学生涯。他有过人的睿智、渊博的
学识，却说不出来。世上确实有一些人能写不能说。麦克斯韦就是属于这种 类型的人。他讲起话来漫无头绪，杂乱无章；他的文章却是条分缕析，鞭辟 入里。他的论文内容精当，论述严谨，是学院公认的。这一时期他的主要成 就，是在同电磁学毫不相关的天文学和气体力学的研究方面。他为什么会对 天文学感兴趣，估计是因为受了当时一项学术奖的鼓励。由于时代、环境等 种种因素的制约，一个科学家的道路，常常不能完全由自己选定。而且科学 家本人，也经常不能断定当时走哪条路才能获得最大的成功。所以在科学技 术史上常常有这样的例子：有的科学家在一条小径上花费了大部分光阴，而 在另一个重大领域里却没能充分发出光和热来。麦克斯韦用了整整两年时间 研究土星的运行，在 1858 年发表了《土星光环》的论文。这年春天，他结了 婚，新娘就是两年前在树林里邂逅的凯塞琳。凯塞琳对他的研究工作帮助很 大。
在这篇论文中，麦克斯韦成功地运用数学分析的方法，论述了土星光环

由一群离散质点构成。因此他获得了亚当斯奖。当时他才二十七岁，他的结 论在三十八年后被一位美国天文学家所证实。按照这条路子走下去，麦克斯 韦或许会成为一个优秀的天文学家。可是不久，他的研究方向又转到分子物 理学方面去了。据说他在土星光环研究中，遇到的许多难题跟分子物理学有 关系，才改变了研究的方向。著名的麦克斯韦速度分布率①，就是这时候完成 的。在推导中，他运用了数学上的统计方法，这是成功的关键。从事分子物 理学的研究，占据了麦克斯韦一生中相当多的时间。
　　上面提到的两项重大成果，虽然没有涉及电磁领域，却充分证明麦克斯 韦已经是一个数学物理学家。对他来说，物理学是探讨的课题，数学是得心 应手的工具。一旦他全副精力集中到电磁学上，异彩就闪现出来了。

“应该突破它！”


　　1860 年初夏，马锐斯凯尔学院的物理学讲座由于某种原因停办了。二十 八岁的麦克斯韦离开阿伯丁港，到伦敦皇家学院去任教。他的妻子也随同前 往。这次工作调动，是麦克斯韦一生事业的转折点。
　　在这以前，还有一段小小的插曲。麦克斯韦最初的母校爱丁堡大学，也 要聘请一个自然哲学教授。他开始是准备去那里的。应选的一共有三个人， 另外两个是他在剑桥大学的同学，其中一个还是中学的同学。三个人里究竟 应该取谁，当局决定通过考试来决定。要是论学问，麦克斯韦稳拿第一，但 是比口才，他吃亏了。考试结果，麦克斯韦名列最后，连主考人对他的讲课 能力都表示怀疑。当时一家爱丁堡杂志评论这件事，也很替他惋惜。俗话说： “塞翁失马，安知非福”，麦克斯韦没有被爱丁堡大学选中，自然是件憾事， 但是他却因为这个转到了皇家学院，完成了一生中最重要的贡献。
麦克斯韦在阿伯丁的四年时间里，一直怀着一桩心事，就是想用数学工
具表达法拉第的学说。他的这个愿望，1855 年只开了个头就搁下了。就是在 研究土星的苦战中，只要见到有关电磁学方面的文章，也都会引起他密切的 关注。他经常给法拉第写信，探索电磁的奥秘。他的案头一直摆着《电学实 验研究》。每次打开这部辉煌的巨著，他的情绪就十分激动。法拉第，这位 他当时还没有见过的伟人，给物理学描绘了一幅多么形象的图画啊！电、磁、 光、力线、波动??在它们背后隐藏着什么规律呢？
麦克斯韦到伦敦以后特地去拜访法拉第。这是一次难忘的会晤。青年物
理学家递上名片，不一会儿，法拉第面带微笑地走了出来。这位实验大师已 经年近七旬，两鬓斑白。他同麦克斯韦一见如故，亲切地交谈起来。
这两位伟人，他们不但在年龄上相差四十岁，而且在性格、爱好、特长 等方面也迥然不同，可是他们对物质世界的看法却产生了共鸣。这真是奇妙 的结合：法拉第快活、和蔼，麦克斯韦严肃、机智。老师是一团温暖的火， 学生象一把锋利的剑。麦克斯韦不善于辞令，法拉第演讲起来却是娓娓动听。 一个不精通数学，另一个却对数学运用自如。两个人的科学方法也恰好相反： 法拉第主要是实验探索，麦克斯韦擅长理论概括。可以说，他们在许多方面



① 麦克斯韦证明，在气体处于热动平衡的时候，虽然个别分子的速度一般都不相同，并且由于相互碰撞而
不断改变，但是平均说来，处在某一速度范围里的分子数在分子总数中所占的百分比总是一定的。这是分 子物理学里的一个重要定律。

是互相补充的；爱因斯坦曾经把他们称做一对，说他们就象伽利略和牛顿一 样，相辅相成。麦克斯韦自己也谈到过这一点：“因为人的心灵各有它不同 的类型，科学的真理也就应该用种种不同的形式表现，不管它是用具有生动 的物理学色彩的定性形式出现，还是用朴素无华的一种符号表示出现，它都 应该被当做是同样科学的。”这话自然是对的，字里行间流露出对法拉第的 尊敬。不过，不同的科学方法，发掘科学的深度却常常不同。法拉第用直观 而形象的方式表达的真理，麦克斯韦最后用惊人的数学才能把它总结出来， 并且提到理论的高度，所以他的认识就更深刻，更透入事物的本质，因此更 带有普遍性。
　　四年以前，法拉第曾经称赞过《论法拉第的力线》这篇论文，他没有料 到论文的作者竟这样年轻。当麦克斯韦征求他对论文的看法的时候，法拉第 说：“我不认为自己的学说一定是真理，但是你是真正理解它的人。”
“先生能给我指出论文的缺点吗？”麦克斯韦谦虚地说。 “这是一篇出色的论文。”法拉第沉思地说，“但是，你不应该停留在
用数学来解释我的观点，你应该突破它！” 法拉第的话象一盏明灯，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。他
马上用最大的热情投入新的战斗。 他设计了一个理论模型，试图对法拉第的力线观念作进一步探讨。这个
模型完全建立在机械结构的类比上，有人称它是“以太模型”，现在看上去
既枯燥又很不好懂。一位英国现代科学史家，用了一整页篇幅也没有说清楚。 事实上，麦克斯韦在晚期的著作里也舍弃了这个模型。奇怪的是，麦克斯韦 竟把它当作跳板，成功地登上了真理的彼岸。

大厦建立起来了！


　　在讨论以太模型的时候，麦克斯韦对自己发现的一个重要事实引起了极 大的注意。他分析了法拉第对电介质的研究以后，确认在电场变化着的电介 质中，也存在电流，他把这称做“位移电流”。另外，他还计算出这种电流 的速度。麦克斯韦惊奇地发现：位移电流的速度恰好等于光速！
这是偶然的巧合吗？天下哪有这样的巧事。他兴奋得几天都没有睡好
觉，妻子帮他仔细核对了好几遍，数据确实没有差错。这意味着他计算出了 电磁波的传播速度同光速是相等的，这是个非常了不起的发现，尽管他当时 还没有完全意识到这一点。几天后，他写信给法拉第报告了这个结果。他在 信里说，他计算出的电磁波的传播速度是“每秒 310740 公里”，而“十二年 以前菲索（1819－1896）用直接实验测定的光速，却是每秒 314858 公里！” 信寄出的时间是 1861 年十月十九日。法拉第有没有给他回信，史料上没有记 载。但是毫无疑问，正是这个发现，促使麦克斯韦四年以后断定光就是电磁
波。
　　1862 年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》四卷二十三期上，发表了第二篇 电磁学论文《论物理学的力线》。文章一登出来，立刻引起了广泛的注意。 英国著名物理学家、电子的发现人约瑟夫·汤姆逊后来回忆说：“我到现在 还清晰地记得那篇论文。当时，我还是一个十八岁的孩子，一读到它，我就 兴奋极了！那是一篇非常长的文章，我竟把它全部抄下来了。”
这的确是一篇划时代的论文，它同 1855 年的《论法拉第的力线》相比，

有了质的飞跃。论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译，而是作了重大的引 伸和发展。其中具有决定意义的一步，是引进了“位移电流”的概念。这以 前，包括法拉第在内，人们讨论电流产生磁场的时候，指的总是传导电流， 也就是在导体中自由电子运动所形成的电流。麦克斯韦在研究中感到这个旧 概念存在很大的矛盾。比如在连接交变电源的电容器中，电介质里并不存在 自由电荷，也就是没有传导电流，但是磁场却同样存在。麦克斯韦经过反复 思考和分析，毅然指出，这里的磁场是由另一种类型的电流形成的，这种电 流在任何电场变化着的电介质中都存在，它和传导电流一起，形成了闭合的 总电流。麦克斯韦通过严密的数学推导，求出了表示这种电流的方程式，把 它称做位移电流。
　　从理论上引出位移电流的概念，实在是电磁学上继法拉 135 第电磁感应以后的一项重大突破。根据这个科学假设，麦克斯韦推导出两个 高度抽象的微分方程式（方程式直到 1865 年才最后完善），这就是著名的麦 克斯韦方程式。这组方程式，从两方面发展了法拉第的成就。一是位移电流， 它表明不但变化着的磁场产生电场，而且变化着的电场也产生磁场；二是方 程式不但完满地解释了电磁感应现象，而且还在理论上进行了总结。就是凡 是有磁场变化的地方，它的周围不管是导体或者电介质，都有感应电场存在。 经过麦克斯韦创造性的总结，电磁现象的规律，终于被他用不可动摇的数学 形式揭示出来。电磁学到这时才开始成为一种科学的理论。
在自然科学史上，只有当某一种科学达到了高峰，才可能用数学表示成
定律形式。这些定律不但能够解释已知的物理现象，而且还可以揭示出某些 还没有发现的东西。正象牛顿的万有定律预见了海王星一样，麦克斯韦在《论 物理学的力线》中，预见了电磁波的存在。他指出，既然交变的电场会产生 交变的磁场，交变的磁场又会产生交变的电场，那么，这种交变的电磁场就 会用波的形式向空间散布开去。当时，麦克斯韦才三十一岁，这是他一生中 最辉煌的一年。
麦克斯韦继续向电磁学领域的深度进军。1865 年，他发表了第三篇电磁
学论文《电磁场动力学》。论文发表在《伦敦皇家学会学报》上。在这篇重 要文献中，麦克斯韦方程的形式更完善了。他采用法国数学家、力学家拉格 朗日（1736－1813）和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿（1805－1865）创立 的数学方法，由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程，电磁波的 传播速度根据那个波动方程的系数计算，正好等于光速！这同麦克斯韦四年 以前推算的那个比值完全一样。直到这个时候，电磁波的存在是确定无疑的 了！因此他大胆断定，光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁理论的 朦胧猜想，就这样由麦克斯韦变成了科学的理论。法拉第和麦克斯韦的名字， 从此联系在一起，就跟伽里略和牛顿的名字一样，在物理学上永放光彩。
　　麦克斯韦在伦敦皇家学院总共任教五年。这五年是他一生中的多产时 期。除了建立电磁理论以外，他在分子物理学、气体动力学上也都有贡献。
　　1865 年，麦克斯韦正式宣布光的电磁学以后不久，就辞去皇家学院的教 席，回到他的家乡格伦莱庄园系统地总结研究成果，撰写电磁学专著。经过 几年苦干，他写的《电磁学通论》在 1873 年问世。这是一部电磁理论的经典 著作，麦克斯韦系统地总结了十九世纪中叶前后，库仑、安培、奥斯特、法 拉第和他本人对电磁现象的研究成果，建立了完整的电磁理论。这部巨著的 重大意义，完全可以同牛顿的《数学原理》（力学）和达尔文的《物种起源》
　　
（生物学）相比较，它也是人类智慧的结晶。 电磁理论的宏伟大厦，经过几代人的努力，巍然矗立起来了！《电磁学
通论》的出版成了当时物理学界的一件大事。当时麦克斯韦已经回到剑桥大 学任教，他的朋友和学生对这部书已经期待很久了。人们争先恐后地到书店 里去购买，第一版几天就卖完了。



千秋是非


　　《电磁学通论》虽然一抢而空，但是真正读懂的人却寥寥无几。不久， 就听到有人批评它艰深难懂。当然，高度抽象的麦克斯韦微分方程，毕竟不
象 2×2＝4 那么简单。单是两个公式、几个数学符号，就包罗了电荷、电流、 电磁、光等自然界一切电磁现象的规律，这在一般人看来，确实是不可思议 的。另外，还有一个更主要的原因，就是从麦克斯韦宣布他的理论以后，一 直没有人发现电磁波。而能否证明有电磁波存在，却是检验麦克斯韦理论的 关键。因此许多物理学家都抱着怀疑态度。就连从前热情鼓励麦克斯韦的威 廉·汤姆生，也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠。
麦克斯韦的电磁理论，在物理学上有划时代的意义。遗憾的是，麦克斯
韦本人没有能够证实自己的理论（在一定程度上可以说是“没有去证实”）。 这有客观原因，也有主观原因。由于环境和工作条件的限制，麦克斯韦一直 没有更多的机会从事电磁实验。热力学和分子物理学的研究，耗去了他大部 分时间和精力。再有，他主要是个理论物理学家。就象他的学生弗莱明（1849
—1945）①后来所说的那样，“他从理论上预言了电磁波的存在，但是好象从
来没有想到过要用什么实验去证明它。”法拉第一辈子都没有离开过实验， 可以说没有实验就没有法拉第。麦克斯韦恰好相反，他只是在伦敦的五年里 进行了一些有限的实验，而且多半是气体动力学方面的。他的寓所，靠近屋 顶的地方有一间狭长的搁楼，那就是他的实验室。他的妻子常常给他当助手， 生火炉，调节室内温度，条件相当简陋。后来在皇家学院实验室里，他作过 一些电学实验，也多只是测定标准电阻这一类工作。《电磁学通论》完成以 后，麦克斯韦忙着筹建卡文迪许实验室，整理卡文迪许（1731－1810）的遗
著。
　　由于以上这些原因，电磁理论问世以后，在相当长的时间里没有得到承 认。最初只有剑桥大学的一些青年物理学家支持它。许多人，包括一批有威 望的科学家，对还没有被证明的新理论，都采取观望态度。劳厄（1879－1960）
①在《物理学史》中曾经这样评论说：“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性， 并且和一切经验相符合，但是它只能逐渐地被物理学家们接受。它的思想太 不平常了，甚至象赫尔姆霍茨和波尔茨曼（1844－1906）②这样有异常才能的 人，为了理解它也花了几年的力气。”
几个春秋过去了。麦克斯韦把他的心血默默地献给了卡文迪许实验室。 这座实验室在 1872 年破土，到 1874 年完工。修建经费是一位鼓励科学的公



① 弗莱明，英国电学家，1904 年发明电子二级管。
① 劳厄，德国物理学家，曾经首先证明 X 射线的波动性，著有《物理学史》。
② 波尔茨曼，奥国物理学家，在热力学和统计物理学上都有贡献。

爵捐赠的。为了增添仪器，麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄。在整个筹建 过程中，从设计、施工、仪器购置，直到大门上的题词，麦克斯韦都亲自过 问。它是实验室的创建人，也是第一任主任。后来相继接替他的是瑞利（1842
－1919）和约瑟夫·汤姆逊，汤姆逊以后是卢瑟福（1871－1937）①，他们都 是世界第一流物理学家。这座实验室开花结果的时期在二十世纪。大批优秀 的科学人才，尤其是原子能物理方面的人才，都是从这里培养出来的。
　　麦克斯韦最后几年的主要工作，是整理卡文迪许留下的大量资料。这项 由公爵委托给他的任务，工作相当繁重。卡文迪许是十八世纪一位性情怪僻 的英国著名物理学家和化学家。他曾经发现氢气，确定水的化学组成，第一 个计算地球的质量，在静电学上也很有研究。他终身未娶，为人腼腆，喜欢 离群索居，死后留下二十多扎没有发表的科学手稿，大多涉及数学和电学， 其中不少很有价值的东西埋没了几乎半个世纪。整理这些资料是一件非常细 致而困难的工作，麦克斯韦为了完成这项工作，作出了很大的牺牲：他放弃 了自己的研究，耗尽了精力。
　　除了卡文迪许实验室的日常事务以外，麦克斯韦每学期都要主讲一门 课，内容是电磁学或者热力学。他在讲台上热心地宣传电磁理论，推广新学 说。可惜听众不多。他本来就不善于讲演，更何况电磁理论是那样的高深， 同传统的物理学大相径庭呢！1878 年五月，他举行了一次有关电话的科普讲 演。电话当时还是新事物，刚刚破土而出。1875 年贝尔发明电话，第二年取 得专利，1877 年爱迪生公布阻抗式送话器。这些人类电信史上的新发明，引 起了麦克斯韦莫大的兴趣。可能，他当时已经预感到，他的理论总有一天会 给这些发明插上双翅，传遍全球。
麦克斯韦后期的生活充满了烦恼。他的学说没有人理解，妻子又久病不
愈。这双重的不幸，压得他精疲力尽。妻子生病以后，整个家庭生活的秩序 都乱了。麦克斯韦对妻子一向体贴入微，为了看护妻子，他曾经整整三个星 期没有在床上睡过觉。尽管这样，他的讲演，他的实验室工作，却从来没有 中断过。过分的焦虑和劳累，终于损害了他的健康。同事们注意到这位无私 的科学家在渐渐地消瘦下去，面色也越来越苍白。但是，他还是那样顽强地 工作。
1879 年是麦克斯韦生命的最后一年。这一年的春天来得很晚，也格外
冷。他的健康明显恶化，但是他仍然坚持不懈地宣传电磁理论。这时，他的 讲座只有两个听众。一个是美国来的研究生，另一个就是后来发明电子管的 弗莱明。这是一幕多么令人感叹的情景啊！空旷的阶梯教室里，只在头排坐 着两个学生。麦克斯韦夹着讲义，照样步履坚定地走上讲台，他面孔消瘦， 目光闪烁，表情严肃而庄重。仿佛他不是在向两个听众，而是在向全世界解 释自己的理论。
1879 年十一月五日，麦克斯韦患癌症去世，终年只有四十九岁。物理学 史上一颗可以同牛顿交相辉映的明星殒落了。他正当壮年就不幸夭折，这是 非常可惜的。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路，可是他的功 绩，在他活着的时候却没有得到人们重视。麦克斯韦的一生，是咤叱风云的 一生，也是自我牺牲的一生。这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第，直 到他死后许多年，在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到，并且公认他



① 卢瑟福，新西兰物理学家，他长期在英国工作，在原子能物理方面有重大贡献。

是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。

这正是电磁波！


　　赫兹是德国青年物理学家，1857 年二月二十二日生在汉堡。他同麦克斯 韦一样，也是律师的儿子。他的家境比较富有，母亲是医生的女儿。赫兹从 小勤奋好学，喜欢物理学，麦克斯韦在 1873 年发表《电磁学通论》的时候， 他还只有十六岁。当时德国和英国一样，牛顿学说的习惯势力根深蒂固，牛 顿几乎成了偶像。法拉第、麦克斯韦的理论否定了传统的“超距说”，对物 质世界作了崭新的描绘，这无疑是带有“叛逆”性质的。因此，电磁理论起 初在德国和奥地利也丝毫没有立足的地方，甚至被当做奇谈怪论，只有个别 有见识的物理学家看出了其中的价值。最先认真考虑电磁理论的，是波尔茨 曼。他曾经企图把麦克斯韦方程组模型化，形象化，使人们容易理解，但是 没有成功。在波尔茨曼以后支持电磁理论的，是在柏林大学任教的著名物理 学家赫尔姆霍茨。赫兹二十一岁考进柏林大学，后来成了赫尔姆霍茨的得意 门生。在老师的影响下，赫兹对电磁学作了深入研究。在比较已经知道的物 理学理论以后，他确认麦克斯韦的理论比各种超距作用理论更使人信服。年 轻的赫兹在一篇论文里写着：“假使在通常的体系和麦克斯韦的体系之间只 能选择一个，那么麦克斯韦的体系无疑是占优势的。”他决定用实验来检验 这个判断。
1883 年，一位爱尔兰教授菲茨杰拉德（1851－1901）根据麦克斯韦的理
论作过一个推论：如果那个理论正确，莱顿瓶振荡放电的时候，就会产生电 磁波。他得出这个推测，是由于曾经受到了威廉·汤姆生 1853 年那篇《瞬变 电流》的启发。威廉·汤姆生当时在文章中指出，莱顿瓶和其他电容器的放 电具有振荡的特性，电荷在衰减到零的时候就会上下起伏。因此菲茨杰拉德 认为，放电的莱顿瓶就是最理想的电磁波辐射源。他并且指出，波长越短的 电磁波，越容易被测出来。
莱顿瓶是最早的电容器，由于 1745 年在荷兰莱顿城最先试用而得名，从
富兰克林时代起就盛行了。人们常用它做各种静电试验，它的构造简单，使 用也很普遍。所以问题的关键就是：怎样检测出电磁波来。
赫兹经过反复试验，终于在 1886 年发明了一种电波环。
　　这是一个十分简单却又非常有效的电磁波探测器。他把一根粗铜线弯成 环状，环的两头分别连着金属小球，小球中间的距离可以调整。这样，电波 环就做成了。这种简单的仪器连十来岁的小孩子都会做，但是想到用它来探 测电磁波，却实在是天才！
　　赫兹用这种电波环进行了一系列实验。终于在 1888 年发现了人们怀疑和 期待已久的电磁波。他起初把电波环放在放电的莱顿瓶附近，反复改变电波 环的尺寸和位置，只要尺寸和位置都合适，电波环两个小球中间就有电火花 闪现。正是莱顿瓶放电时候辐射的电磁波，被环路所截获而激发出电火花。 后来赫兹用火花隙发生器代替莱顿瓶，效果更加显著。赫兹不愧是一位聪明 而又巧夺天工的实验家，他紧接着用使人信服的实验，证明了电磁波射到大 型金属板上就发生反射，在通过用硬沥青或者松脂制成的三棱镜的时候就发
　　
生折射，并且具有衍射①、偏振等光波所具有的各种特性。于是，麦克斯韦天 才的预言，在二十六年以后终于被同样是天才的实验证实了。它比海王星的 发现更使人惊叹。
　　赫兹的实验公布以后，轰动了全世界的科学界。由法拉第开创、麦克斯 韦总结的电磁理论，到这时候才取得了决定性的胜利！一个历史的巧合是， 这年赫兹三十一岁，恰好同麦克斯韦预见电磁波时候的年龄一样。可惜麦克 斯韦在九年以前已经去世了，他没有亲眼看到这一天。但是，这位巨匠的伟 大遗愿终于实现了。
　　1888 年成了近代科学技术史的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意 义，它不但证明了麦克斯韦发现的真理，更重要的是导致了无线电的诞生， 开辟了电子技术的新纪元。理论只能够解释世界，它只有回到实践中来才能 够改造世界。赫兹的不朽功绩，就在于他客观上促成了这个转变。
　　恩格斯说过：“在马克思看来，科学是一种在历史上起推动作用的、革 命的力量。”电磁波的发现所产生的巨大影响，连赫兹本人也没有料到。在 他发现电磁波的第二年，有人问他，电磁波是不是可以用做无线电通信，赫 兹不敢肯定。但是不到六年时间，意大利的马可尼（1874－1937）、俄国的 波波夫（1859－1906）就分别实现了无线电传播，并且很快投入使用。其他 无线电技术，也象雨后春笋般地涌现出来。无线电报
（1894）、无线电广播（1906）、无线电导航（1911）、无线电话（1916）、
短波通信（1921）、无线电传真（1923）、电视（1929）、微波通信（1933）、 雷达（1935）以及遥控、遥测、卫星通信、射电天文学等，都是这个变革的 产物，整个物质世界的面貌发生了深远的变化。
如果把电磁理论比做一座雄伟的高楼，那么，是法拉第给它打下了坚实
的地基，麦克斯韦在地基上建成了大厦，最后是赫兹对这座大厦进行了内部 装修，使它能够被人们广泛利用。电磁理论创立的历史，生动地印证了“实
践-理论-实践”的真理。实践不上升到理论，不能揭示事物的本质；理论不
回到实践，不可能被证实和发挥巨大的作用，也不可能继续发展。正是这个 原因，法拉第-麦克斯韦-赫兹的名字，永远和电磁理论联系在一起，光照史 册！




















① 衍射是波的特性。当波在传播方向上遇到迎面挡住的障碍物的时候，只要障碍物的尺寸比波长小或者相
近，波就会明显地绕到障碍物后面去继续前进，如果遇到近于或者小于波长的孔，那么以孔为中心，形成 环形波向前传播，这种现象叫波的衍射。

电话发明家贝尔


　　1844 年，莫尔斯在美国首次进行了长途电报通信，人类通信史揭开了新 的一页。三十一年以后，世界上第一台电话机问世。这台电话机的发明人是 个苏格兰青年，名叫亚历山大·贝尔。

语音学世家


　　1847 年三月三日，贝尔生在苏格兰的爱丁堡。他的父亲和祖父都是著名 的语音学家。他们在聋哑人中间工作过很多年，对人体发声器官的构造、功 能和人的听觉特点等都有深入的研究。贝尔的父亲还创造出一套借助手势、 口型来表达思想感情的“哑语”，给聋哑人带来很大的方便。贝尔生活在这 样的环境里，从小受到熏陶，对语音的传递产生了浓厚的兴趣。这为他后来 发明电话打下了很好的基础。
　　不过，贝尔并不是神童。很多发明家，在幼年时候都不见得聪明过人， 他们成功的秘诀在于一生勤奋。和贝尔同岁的爱迪生（1847－1931）刚上小 学的时候，每次测验成绩都是全班最差的，上了三个月以后，只得退学回家， 由母亲自己来教。贝尔比爱迪生也高明不了多少。他在语音学方面算个小内 行，可是其他功课总是跟不上。这孩子太淘气，太贪玩，书包里常常装着麻 雀、老鼠这类小动物，有一次老师正在讲《圣经》，老鼠钻出来了，满教室 同学你追我赶，哄堂大笑。
贝尔后来被祖父接到伦敦，由这位语音学专家直接管教。这是个很有个
性的倔老头。他很疼爱孙子，但是要求非常严格，教起书来就象头狮子。祖 父那一脸花白的胡子，起初使贝尔有点望而生畏，后来就很喜欢他了。因为 祖父知识渊博，简直是一部百科全书。贝尔同他生活了一年，学到不少东西。 贝尔后来回忆，“祖父使我认识到，每个学生都应该懂得的普通功课，我却 不知道，这是一种耻辱。他唤起我努力学习的愿望。”正是这种愿望，激发 贝尔踏上了探求科学真理的道路。
贝尔从伦敦回到故乡，很快就表现出搞发明创造的热情。有一座磨坊，
用一个笨重的老式水磨磨面，平时由一个青年操作。后来，那个青年应征当 兵去了，就由剩下的一个独身老人自己磨面。每逢天旱水小，水车停转，水 磨不能磨面，老人就只好饿肚子。贝尔看到这种情况，很同情老人，约了一 群少年伙伴来帮忙。开始，大家都觉得有意思，但是过了几天，很多人都不 干了。最后，只剩下贝尔一个人，很难推动水磨。贝尔回到家里，每天都躲
在 父 亲 的 书 房 里 翻 阅 图 书 资 料 。 经 过 一 149 个月的反复琢磨，他居然设计出了一幅改良水磨的草图。几个工匠师傅看了 都很称赞。草图画得不算好，但是原理很巧妙。贝尔提出改造水磨的臼齿结 构，同现在轴承的原理有些相象。按照草图改制的水磨，小孩们都推得动。 不但磨坊老人摆脱了困境，全村磨面都很方便。消息传出去以后，邻近村镇 的人都赶来仿造。当时贝尔只有十五六岁，一下就成了同伴们心目中的英雄。 在同学们的拥护下，贝尔组织了一个“少年技术协会”，还订了会章， 要求每个会员负责一门自己感兴趣的学科，每周讲演一次，讲各人研究的成 绩。贝尔负责语音学和生物解剖学。贝尔父亲书房顶上的搁楼，成了他们的 “讲演厅”。这群少年通过活动，增长了很多知识，也闹了不少笑话。一天，