1879 年,麦克斯韦在剑桥去世;同一年,爱因斯坦在德国乌尔姆出生。物理学史仿佛安排了一场无声的交接:正是麦克斯韦的电磁场方程,埋下了相对论的种子。后来,爱因斯坦的书房墙上挂着三幅画像——牛顿、法拉第,还有麦克斯韦。
「呆瓜」与十四岁的论文
麦克斯韦生于爱丁堡,在苏格兰西南部的格伦莱尔庄园长大。这个孩子见到什么都要追问「它是怎么动起来的」。进了爱丁堡公学,乡下口音和古怪的衣着让同学们送他一个外号:「呆瓜」(Dafty)。「呆瓜」十四岁就写出一篇研究卵形曲线画法的数学论文;因为作者年纪太小,只能由福布斯教授代他在爱丁堡皇家学会宣读。
土星环与分子的舞蹈
土星环是固体、液体,还是别的什么?1857 年,麦克斯韦用严密的力学分析摘得剑桥亚当斯奖:固态环会碎裂,液态环会散架,光环只可能是无数小颗粒组成的「碎石带」。一百多年后,「旅行者号」探测器飞掠土星,证实了这个用纸笔得出的答案。随后他把同样的眼光投向气体:单个分子的乱撞无法追踪,亿万个分子的整体却服从精确的统计规律。1860 年的麦克斯韦速度分布律是物理学第一条统计定律,温度与热从此有了分子层面的解释。
把法拉第的力线翻译成数学
数学家们轻视法拉第的力线,麦克斯韦却认定那些「图画」里藏着真理。他先用流体类比、再借助精巧的机械模型,把力线一步步翻译成微分方程,还补上了关键的一块拼图:变化的电场也会产生磁场。补上之后,方程立刻预言出一种以固定速度传播的波;用纯电磁实验测出的常数一算,这个速度与光速几乎严丝合缝。「我们几乎无法回避这样的推论」,他在 1862 年写道——光就是电磁波。1865 年,《电磁场的动力学理论》把这一切铸成完整的场方程;今天课本里四条简洁的矢量形式,是后来赫维赛德整理的。顺带一提:1861 年,他还依据自己的三原色理论主持拍摄了世界上第一张彩色照片。
未及看到的黎明
1871 年,麦克斯韦受邀出任剑桥首任卡文迪什实验物理学教授,一砖一瓦筹建起卡文迪什实验室——日后电子的发现、DNA 双螺旋的揭晓都将发生在那里。1879 年 11 月 5 日,他因腹部癌症去世,年仅四十八岁;他的母亲当年也是因同样的病、在同样的年纪离世的。他没能看到 1887 年赫兹在实验室里造出并接收电磁波,更没能看到无线电点亮的时代。爱因斯坦后来评价说,一个科学时代随麦克斯韦而终结,另一个科学时代随他而开启(大意)。