一生的夢與愛在此奔騰

        馬克斯威爾(James Clerk Maxwell,1831～1879)生於蘇格蘭的愛丁堡。他在物理上的地位足堪與牛頓、愛因斯坦兩位巨擘齊名。馬克斯威爾的電磁理論是十九世紀物理學中最偉大的成就，是繼牛頓力學之後物理史上又一次劃時代的偉大貢獻。

From:http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/PhyChiu/PointHalliday/HPT304EMWave.htm

從馬克斯威爾方程組，預測電磁波的存在，且電磁波的速度正好是光速，因 此推論光也是電磁波。

相對論與電磁學

• 『狹義相對論』與『廣義相對論』的分別：慣性座標系和非慣性座標系
  
• 在狹義相對論中，愛因斯坦尋找在不同慣性座標系中的『不變 量』。
  
• 他發現馬克斯威爾方程式運用到運動的物體時會產生一些不對稱。
  
• 1905年6月30日，愛因斯坦發表論文《論運動物體的電動力學》
  
  
  
  • 這篇論文就是我們所謂的『特殊相對論』（或稱『狹義相對論』）。
    
  • 電流的磁效應，可以看成是電荷等速度運動產生的相對論效應。
    
    
    
    • 靜電力和靜磁力都遵守平方反比的形式，但電場與磁場的關連性一直到相對論發表之後，才得以完全清楚。
      
    • 根據相對論，二個以等速度做相對運動的座標系中，在一座標系觀測另一座標系中的靜電場，則靜電場與靜磁場二者同時出現。在不同座標系中，考慮電場的變換及電荷不變性，則勞侖茲力的磁力部分及可由靜電力導出，因此，磁學可以看成是靜電學加上相對論及電荷量不變性的結果。
  
  
• 愛因斯坦摒棄了『以太』和『絕對時空』，而提出二個『絕對』的原理：
  
  
  
  • 所有物理定律在任何慣性參考系中都具有相同的形式。（相對性原理） （亦即時空是相對的）
    
  • 在任何慣性參考系中，真空中的光速都相同。（光速不變原理）（亦即以太是不存在的）

From: http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/cguweb/SciKnow/PhyStory/Maxwell/Maxwell20Equatins.htm

1865年馬克斯威爾發表了關於電磁場理論的第三篇論文：《電磁場的動力學理論》(A dynamical theory of the electromagnetic field)，全面地論述了電磁場理論。

這時他已放棄分子渦旋的假設，然而他並沒有放棄近距作用，而是在把近距作用理論引向深入。

在這篇論文的引言中，他在次強調超距作用理論的困難，堅持假設電磁作用是由物體周圍介質引起的。

在這篇論文中，馬克斯威爾提出了電磁場的普遍方程組，共20個方程式，包括20個變量。

這20個變量是：

• 電磁動量 F、G、H；
  
• 磁力(即磁場強度) α、β、γ ；
  
• 電動勢 P、Q、R；
  
• 傳導電流 p、q、r；
  
• 電位移 f、g、h；
  
• 全電流(包括位移的變化) p’、q’、r’；
  
• 自由電荷量 e；
  
• 電位 ψ。

探討Maxwell's eq.s：

• Original Maxwell Equations - Maxwell's 20 Equations in 20 Unknowns - PDF

From:  http://memo.cgu.edu.tw/yun-ju/CGUWeb/SciKnow/PhyStory/Maxwell/Maxwell00.htm 

 
馬克斯威爾在電磁理論上的貢獻
電磁理論之外的貢獻
十九世紀的電磁學和現在我們所讀的電磁學有哪些不同？
穿越時空遇上你

• 當馬克斯威爾遇到牛頓
  
• 當馬克斯威爾遇到法拉第
  
• 當愛因斯坦遇到馬克斯威爾

馬克斯威爾在電磁理論上的貢獻

馬克斯威爾在電磁理論方面的工作可以和牛頓在力學理論方面的工作相媲美。 他以法拉第等人的工作為基礎，創造性的提出系統的電磁場理論，並預測電磁波的存在。他在這方面的工作主要是1854年到1865年其間發表的《論法拉第力線》、《論物理力線》和《電磁場的動力學理論》三篇論文及1873年出版的《電學與磁學論》一書。

1854年馬克斯威爾從劍橋大學三一學院畢業。這一年，馬克斯威爾23歲，他在學習法拉第《電學實驗研究》一書後，他覺得法拉第的電磁理論有獨到的見解，他非常欣賞法拉第的力線概念。法拉第是一位實驗大師，但數學不好，無法用精確的數學語言來表述他的物理思想。馬克斯威爾的數學很強，於是著手將法拉第的力線思想『翻譯』成數學，用數學來分析表述。

1855年，馬克斯威爾發表了《論法拉第力線》(On Faraday's Lines of Force)這篇論文。在這篇論文中，馬克斯威爾以數學形式說明了法拉第的力線思想，並由此推導出庫侖定律和高斯定律。

1860年，馬克斯威爾到倫敦拜訪法拉第。這是他們第一次相會，當時法拉第已經70高齡，而馬克斯威爾才年僅30，他們一起談力線、場、電磁現象和定律。法拉第非常讚揚馬克斯威爾這個年輕人，並鼓勵不要停留在這種『翻譯』的層次上，要突破現有的一些觀點，創立有系統的電磁理論。

1862年，馬克斯威爾發表了電磁研究的第二篇論文《論物理力線》(On Physical Lines of Force)，不但進一步發展了法拉第的思想，而且還得出了新的結果：電場與磁場互相轉化，並創造性的提出了『位移電流』的概念，預言電磁波的存在，指出電磁波是一種以光速在空間傳播的波，光也是電磁波的一種。

1864年，馬克斯威爾發表第三篇論文《電磁場的動力學理論》(A dynamical theory of the electromagnetic field)。在這篇文章中，他運用場論的觀點，建立了一套有系統的電磁理論。著名的『馬克斯威爾方程組』就是在這篇文章中提出的。

1873年，馬克斯威爾出版《電磁學通論》(Treatise on electricity and magnetism)一書，這是一本集電磁學大成的劃時代著作，全面總結了十九世紀以來電磁學成就，包括了杜費(Charles Francois du Fay,1698~1729) 、富蘭克林（B. Franklin，1706-1790）、伏特(A. Volta，1745-1827)、庫侖（C.A. de Coulomb，1736-1806）、歐姆(G.S. Ohm，1787-1854)、奧斯特（H.C. Oersted，1777-1851）、安培(A.M. Ampere，1775-1836)、法拉第（M. Faraday，1791-1867）、.......的心血，建立了一套完整的電磁理論體系，是一部足以和牛頓的《自然哲學的數學原理》相媲美的里程碑式的著作。

請進一步參考『從法拉第的力線到馬克斯威爾方程式 』

電磁理論之外的貢獻

除了在電磁領域的巨大貢獻外，馬克斯威爾在氣體分子運動論、統計物理學、熱力學、天體物理學及彩色圖像學方面都有突出的表現。

馬克斯威爾在氣體分子運動論、統計物理學、熱力學的成就，在此不贅述。1859年，他首次在分子運動論中引進機率觀點，導出氣體分子的速度分布定律，即著名的「馬克士威速度分佈」，此乃由分子運動論邁向統計力學的一個重要里程碑。

土星是太陽系的行星中蠻特別的一個，她有一個美麗的光環。這個光環是由什麼成分組成？

馬克斯威爾20多歲時就寫了一篇關於土星光環的論文，用數學推算出土星光環的成分。100多年之後，終於有太空船飛到了土星周圍，證實了馬克斯威爾的說法。馬克斯威爾經由數學計算，認為土星的光環不是整塊固體，也不是液體，因為這樣，由於引力和離心力的作用會使它分崩離析，因此推斷土星環應該是由一些小碎塊聚集而成。

1861年，利用三原色光的混合法，製作出第一張彩色照片的就是馬克斯威爾。

1871年馬克斯威爾受聘為劍橋大學物理學教授，並負責籌建該校第一所物理實驗室─卡文迪西實驗室，且於1874年開始擔任第一任主任。卡文迪西實驗室被稱為諾貝爾搖籃，是聞名全球的學術中心之一，這個實驗室培養出26位諾貝爾講得主，創造了科學界的一個奇蹟。

英年早逝

1879年11月5日，馬克斯威爾因病去世，年僅48歲。

1887年，馬克斯威爾逝世後8年，他預言的電磁波被德國物理學家赫茲 (Hertz,H.R.1857-1894)用實驗證實了。1895年，馬可尼 (Marconi,1874-1937) 利用無線電來通訊，1901傳送無線電報成功的橫越大西洋。