按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
布不规则的固体环。
到了1855年，理论仍然停留在此，而这中间，人们又观测到了土星的一
个新的暗环，和现在环中更进一步的分离现象，还有光环系统自从被发现以
来二百年间整体尺度的缓慢变化。因此，一些科学家们提出了一个假说，来
解释土星光环在动力学上的稳定性，这个假说是：土星光环是：由固体流体
和大量并非相互密集的物质构成的。麦克斯韦就根据这一假说进行了论述。
他首先着手的是拉普拉斯留下的固体环理论，并确定了一个任意形状环
的稳定性条件。麦克斯韦依据环在土星中心造成的势，列出了运动方程式，
获得了对匀速运动的势的一阶导数的两个限制，然后由泰勒展开式又得到关
于稳定运动二阶导数的三个条件。麦克斯韦又把这些结果换成关于质量分布
的傅立叶级数的前三个系数的条件。因而他证明了，除非有一种奇妙的特殊
情形，几乎每个可以想象的环都是不稳定的。这种特殊的情形是指一个均匀
环在一点上承载的质量介于剩余质量的4。43倍到4。67倍之间。但是这种特
殊情况的固体环在不均匀的应力下会瓦解掉，所以固体环的理论假说是不能
成立的。
… Page 11…
出于非固体环的考虑，麦克斯韦通过把对环的形状扰动展开为某个关于
波的级数，审查了各种环的稳定性。他取一个起始模型，是一个由空间间隔
相同，质量全都相等的许多固体卫星组成的环，更复杂的结构以后就可以同
这个模型加以对照。光环的运动可以分解为四种：以恒定角速度绕土星的转
动，沿着环平面的径向、切向和法向的小量运动。通过数学方法的复杂运算，
麦克斯韦最后得出光环的稳定性取决于切向力的结果，并指出定义切向力的
那个参数必须在0与0。07倍的角速度平方之间。
这篇论文获得了1857年剑桥的亚当斯奖，那年他年仅26岁。他论文中
的基本点即土星光环是由一群离散的质点构成的，在1895年被科学家贝洛波
尔斯基和基勒用光谱观察证实。这篇论文和麦克斯韦在此方面的工作中，因
为当时条件有限，计算和结果中还有一定的误差，以及一些没有考虑到的因
素在内，但是论文的基本结论还是正确的，也为后人的研究指明了方向。从
这篇论文开始，我们可以看到麦克斯韦在科学上已经走向成熟。
麦克斯韦因此而获得了成功，在这样一个重要的经典问题上的成功给了
他数学上的自信，这种自信心对他以后的科学工作影响很大。在论文《土星
光环》中，麦克斯韦确立了典雅的文学笔调和精辟的数理分析。在他以后的
有关电磁学的伟大论文中，他仍然继续保持着这种技术分析水平，并且在物
理学和哲学的洞察力上具有划时代的进步。这些还表现在麦克斯韦同时期进
行的有关色视觉和气体力学研究上。
我们前面已经讲过，麦克斯韦喜爱玩两种玩具：提螺和活动画筒。活动
画筒引发了麦克斯韦对色彩的视觉的兴趣。在麦克斯韦以前，有一个名叫托
马斯·扬的人提出过有关色视觉的三感受器原理。早在几个世纪以前，画家
们就知道所谓的三原色，即红、黄、蓝，并且知道利用这三种颜色可以混合
调配出各种想要的颜色。然而当时人们对三原色和三感受器原理还存有疑
惑，因为牛顿断定并通过实验表示出来：棱镜光谱包含的原色是七种而不是
三种。
麦克斯韦早在1849年在爱丁堡的福布斯实验室就开始了色混合实验。在
那个时候，爱丁堡有许多研究颜色的学者，除了福布斯、威尔逊和布儒斯特
外，还有一些对眼睛感兴趣的医生和科学家。实验主要就是在于观察一个快
速旋转圆盘上的几个着色扇形所生成的颜色。麦克斯韦和福布斯首先做出的
一个实验是使红、黄、蓝组合产生灰色。他们的实验失败了，而其中的主要
原因是：蓝与黄混合并不象常规那样生成绿色，而是当两者都不占优势时产
生一种淡红色，这种组合加上红色不可能产生任何灰色。
接着，麦克斯韦又改进了他们的色螺旋盘，这是根据他的老师福布斯在
1849年的发明而发展起来的，它有两套不同颜色的着色纸，使用时灵活地在
盘上排列成可调整的扇形。当色盘旋转的时候，这些颜色就在眼睛中混合起
来。麦克斯韦还用了一套直径比第一套小的可调扇形，以便做出更为准确精
密的色比较。通过反复实验、比较，麦克斯韦根据各种颜色显露的角度，列
出色方程式。实验后，麦克斯韦正确地区分了三个新的光学变量——色彩（光
谱色）、色辉 （饱和度）、色荫（照度）。从而，麦克斯韦创立了定量色度
学这一学科，他证明：各种颜色都可由三种光谱刺激源的混合配成。并证实
了托马斯·扬关于色视觉的三个感受器的理论，证明了色盲的原因是一个或
多个感受器的无效。1868年，他研制了“色箱”，在生理视觉领域做出了非
凡的贡献，直到今天，在生理视觉学科中，人们还把人因特殊视觉效果产生
… Page 12…
于特殊区域的一条黑斑称为“麦克斯韦斑”，也算是对麦克斯韦在这一领域
工作成果的纪念。1861年，麦克斯韦在皇家研究院向听众们映示了第一张三
原色彩色照片，这无疑是光学领域的一个重要里程碑，为后来的光学研究和
彩色照片的诞生打下基础。
在马里斯查尔学院，麦克斯韦从事研究的另一个课题就是气体力学。他
之所以对这一题目有兴趣，是因为他在写《土星光环》论文的时候遇到了许
多与此有关的难题，所以他的倔强本性使他决定去突破它们，也正是这样，
他一生的大部分时光和精力都耗费在这一领域，直到他生命的最后两年。这
些我们将会在后面谈到。
在马里斯查尔学院的教书生涯中，麦克斯韦不是一个合格的老师，但是
在科学研究领域，他的才华渐渐发挥出来，他的研究方法也逐渐成熟、定型。
现在对他来说，物理学是要探讨的课题，数学则是他得心应手的工具。经过
了必要的题目的磨练，一旦找到了合适的课题，他就将显示出他的异彩。
在这段时期，1858年，麦克斯韦结婚了，新娘就是那个曾经给予他巨大
帮助的院长的女儿玛丽。在年龄上，玛丽比麦克斯韦大7岁，在后来，玛丽
仍然在科学事业上支持麦克斯韦，一心帮助丈夫进行色视觉和气体动力学实
验。麦克斯韦也深爱着妻子，1876年起，玛丽不幸患上了神经性疾病，麦克
斯韦在工作之余尽心尽力地照料她。
1860年初秋，马里斯查尔学院同阿伯丁的另一所大学皇家学院合并，合
并以后办学经费被削减，于是只好通过裁员来解决问题，物理学讲座因此取
消，麦克斯韦只好辞职，另谋生路。
麦克斯韦起初想到他的母校爱丁堡大学去谋职，因为那里他的老师福布
斯已退职，需要一个自然哲学教授。同时应选的有三个人，校方决定用考试
来决定录用谁。在笔试方面；麦克斯韦的学问理所当然是第一，但是在口才
上，麦克斯韦再次吃了亏。考试结果，麦克斯韦是最后一名，他的讲课能力
实在太差了。当时甚至爱丁堡的一家杂志都发表评论文章，为爱丁堡大学失
去这样一个人才而惋惜。不过被选上的人也不差，那就是他中学和大学的同
学泰特。
麦克斯韦离开阿伯丁，又因此离开家乡爱丁堡，他被聘为伦敦皇家学院
的教授，妻子也一同前往。麦克斯韦于是开始了新的生活，在伦敦皇家学院，
他完成了可以使他最终在物理学史上发射出光芒的电磁学理论。
… Page 13…
四、踏入电磁学的大门
电磁学是当时比较新的科学领域。
回顾电磁学的历史，物理学的历程一直到1820年的时候都是以牛顿的物
理学思想为基础的。自然界的“力”——热、电、光、磁以及化学作用正在
被逐渐归结为一系列流体的粒子间的瞬时吸引或排斥。人们已经知道磁和静
电遵守类似引力定律的平方反比定律。在19世纪以前的40年中，出现了一
种反对这种观点的动向，这种观点赞成“力的相关”。1820年，奥斯特发现
的电磁现象马上成了这种新趋势的第一个证明和极为有力的推动力，但当时
的人又对此捉摸不定和感到困惑。奥斯特所观察到的电流与磁体间的作用有
两个基本点不同于已知的现象：它是由运动的电显示出来的，而且磁体既不
被引向带电流的金属线，也不被它推开，而是对于它横向定位。同一年，法
国科学家安培用数学方法总结了奥斯特的发现，并创立了电动力学，此后，
安培和他的追随者们便力图使电磁的作用与有关瞬时的超距作用的现存见解
调和起来。
那是在奥斯特的发现后不久，安培发现两个电流之间也存在一种力，并
把所有的磁在起源上都是电的这一假说向前推进了一步。1826年，他建立了
一个公式，这个公式把已知的磁现象和电磁现象归结为一种平方反比力，此
力沿着两个间距为r的电流元idl、i′dl′的连线
ii' dldl'
Fii'
… Page 14…
于顺磁性与抗磁性的著作中，他提出了导磁性的概念。1852年，他写了一篇
富有建树的概念性论文，在这篇论文中，他对磁现象和电磁现象作了一般定
性描述，在描述中推广了邻接作用原理。他的推广基于以下假说，那就是：
磁力线具有使本身缩短和从旁侧互相推斥的物理性质。麦克斯韦工作的主要
功绩就是后来对这一假说进行了定量表述。
汤姆逊的贡献始于1841年，当时他还是一名剑桥大学的学生。他的第一
篇论文在静电学方程与热流方程之间建立起形式上的类比，通过适当的代
换，可将一个电学问题转换成热学理论问题。1845年，他在继续对法拉第的
观点进行研究时提出了第一个对电力线的精确的数学描述。在电学历史上，
汤姆逊的功绩是非凡的，他的方法和理论对麦克斯韦的研究有着举足轻重的
作用。他第一次提出了电象方法、磁力与弹性固体转动应变之间的第二个形
式类比，而最重要的是，随着他涉足热力学，还将能量原理应用于电学，作
了许许多多工作。
麦克斯韦的电学研究始于1854年，当时他刚从剑桥毕业不过几星期。他
读到了法拉第的《电学实验研究》，立即被书中新颖的实验和见解吸引住了。
在当时人们对法拉第的观点和理论看法不一，有不少非议。最主要原因就是