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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
①
500)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
①
产生了浓厚的兴趣。法国浪漫主义作家乔治·桑(1804-1876)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。
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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
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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