詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831年6月13日-1879年11月5日），英国物理学家、数学家。经典电动力学的创始人，统计物理学的奠基人之一。
麦克斯韦于1831年6月13日出生在英国爱丁堡。1847年，他在爱丁堡大学开始学习数学与物理，后转至剑桥大学并于1854年毕业。麦克斯韦在剑桥期间发表了关于电磁学的开创性论文，并随后在苏格兰阿伯丁马里夏尔学院担任自然哲学教授。1858年，他发表了关于土星光环稳定性的研究。1860年，麦克斯韦成为伦敦国王学院的教授，并于1861年入选伦敦皇家学会。期间，他发展了电磁作用的力学模型，引入了位移电流的概念，并提出了描述电磁现象的基本微分方程组。1871年，麦克斯韦被任命为亨利·卡文迪许实验物理学教授，并成为卡文迪什实验室的首任主任。他在1879年11月5日于剑桥逝世。
麦克斯韦所作的《论电和磁》被视为物理学经典之一，他提出的麦克斯韦电磁学理论对物理学产生了深远影响。他在光学领域提出了光谱色、饱和度和照度三个光学变量的区分。在力学领域，他推广了用偏振光测量应力的方法，并提出桁架内力的图解法。他在热力学、统计物理学和其他领域也取得了成就，被认为是气体动理论的创始人之一。1931年，在纪念麦克斯韦诞生100周年时，阿尔伯特·爱因斯坦把麦克斯韦的电磁场贡献评价为“自牛顿时代以来物理学所经历的最深刻最有成效的变化。”
人物生平
早年经历
1831年6月，麦克斯韦出生于苏格兰的爱丁堡，其父约翰·克拉克（John Clark）是一名律师。詹姆斯出生后不久，约翰·克拉克继承了先祖的遗产，便举家搬迁至柯尔库布里郡的格伦菜尔。麦克斯韦母亲去世后，约翰·克拉克为麦克斯韦找来一位私人教师指导他学习。1841年，麦克斯韦进入爱丁堡学会就读。
崭露头角
麦克斯韦在1845年因一篇关于圆锥曲线几何作图的论文获得奖励，1847年进入爱丁堡大学，并在学报上发表两篇科学论文。1850年他转至剑桥大学深造，期间发表了《论法拉第的力线》等论文，标志着他开始专注于电磁学领域的研究，并获得了三一学院的奖学金。
1856年，麦克斯韦成为马里夏尔学院的自然哲学教授，并在1857年的亚当斯奖竞赛中研究土星环的运动。他通过研究资料得出土星环不可能是连续固体或液体环的结论，并认为这些形态都会影响环的稳定性。麦克斯韦因此获得了1857年度的亚当斯奖，其研究成果得到了英国皇家天文学家乔治·艾里（George Biddle Avery）爵士的高度赞赏。
投身工作
1860年，麦克斯韦离开阿伯丁港前往伦敦皇家学院任教，在一年中要花9个月进行教学的同时进行电磁学领域的研究并做出许多成就。1864年，麦克斯韦向伦敦皇家自然知识促进学会递交电磁学论文，为证明电流产生电场和磁场的原理以及电场与磁场之间的关联性，他采用数学工具建立4个数学方程式，即“麦克斯韦方程”。通过该方程组在解释电磁感应现象的同时，提出光实质是一种电磁波的观点，首次将光学和电磁学联系在一起。同年，麦克斯韦发表《色视觉理论》的论文，用数学语言对三原色理论进行论证，并指出色盲症的根源是对红色色感的缺少导致，而他也因此获得拉姆福德奖章。次年，麦克斯韦首次提出实现彩色摄影的具体方案，通过红绿蓝三种颜色对黑白照片进行叠加从而获得彩色照片，最后三原色理论也成为当代彩色摄影的基础理论。
1865年，麦克斯韦回到苏格兰的格伦莱尔，从事研究气体运动，在詹姆斯·焦耳（James Joule）等人研究气体运动的基础下，他认识到并非所有气体分子都按照同一速度进行运动。随后他又经过推导求出气体中分子按照某一速度运动的百分比公式。
英年早逝
1871年，麦克斯韦在物理学上所获得的成就而被剑桥大学聘请为首位卡文迪实验物理学教授，而他在上任三年后，创建亨利·卡文迪许实验室，同时担任该实验室第一任主任。之后的麦克斯韦投入到卡文迪什留下的科学草稿的整理工作中，期间还放弃自己的研究，最后麦克斯韦在整理期间身患癌症，于1879年11月去世。
科研成就
电磁学
麦克斯韦是经典电磁理论的奠基者之一。他接受并系统地概括迈克尔·法拉第的基本思想和实验法则，并对它们进行富有创造性的数学解释、推广和补充。在他的论文《论法拉第的力线》中，他提出电流与磁场之间的导数关系式，这标志着他首次利用数学工具来描述力线概念。在1861年至1862年间，他构思了电磁作用的力学模型，引入位移电流的概念，并指出变化的电场可以引发出“涡旋磁场”，从而对法拉第的电磁学做出实质性的补充。1864年，麦克斯韦在位移电流和电荷守恒定律相容的前提下提出了联系着电荷、电流、电场和磁场的基本微分方程组。这一方程组经过后人的整理和改写，成为经典电动力学的主要基础——麦克斯韦方程组。而电磁现象的规律得以用数学形式严谨地描述，标志着物理学历史上的一个重要里程碑，也成为了所有场论的典范。
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程是一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程，由四个定律组成:描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。
式中，为磁场强度为电场强度为电位移向量，用于描述电场的辅助物理量，用符号表示，其定义式为，式中，为电场强度；为极化强度：为真空介电常数，为电位移为磁感应强度为总电荷密度
光学
麦克斯韦在1849年在爱丁堡的福布斯实验室开始色混合实验。实验主要是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，但失败了。接着，麦克斯韦又改进了他们的色螺旋盘。当色盘旋转的时候，这些颜色就在眼睛中混合起来。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）。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。1861年，麦克斯韦在皇家研究院向听众们映示第一张三原色彩色照片，为后来的光学研究和彩色照片的诞生打下基础。
力学
麦克斯韦在力学方面的贡献主要有：1853年推广用偏振光测量应力的方法；1864年提出结抅力学中桁架内力的图解法，指出桁架形状和内力图是一对互易图，并提出求解静不定桁架位移的单位载荷法。1868年对粘弹性材料提出一种模型（后称麦克斯韦模型），并引进松弛时间的概念。同年在《论调节器》中分析了蒸汽机自动调速器和钟表机构的运动稳定性问题。1870年将G.R.艾里提出的弹性力学中的应力函数由二维推广到三维，并指出它应满足双调和方程。1873年给出荷电系统中引力和斥力引起的应力场。
土星光环理论
麦克斯韦于1858年发表的论文《土星光环》。在这篇论文中，麦克斯韦首先考虑了皮埃尔-西蒙·拉普拉斯关于固体环的理论，并确定了一个任意形状的稳定条件。他根据环在土星中心造成的势列出了运动方程式，并通过数学推导得出了环的稳定性条件。他证明了除非特殊情形，几乎每个可以想象的环都是不稳定的，但是这种特殊情形的固体环在不均匀的应力下会瓦解掉，因此固体环的理论假设是不能成立的。麦克斯韦进一步审查了各种环的稳定性，将光环的运动分解为四种，并得出结论认为光环的稳定性取决于切向力的结果，指出定义切向力的参数必须在特定范围内。
热力学与统计物理学
麦克斯韦在热力学与统计物理学领域也做出重要贡献，他被视为气体动理论的创始人之一。1859年，麦克斯韦首次运用统计规律提出麦克斯韦速度分布律，为从微观量求统计平均值找到更准确的方法。1866年，他提出一种新的推导方法，用于分析分子按速度分布函数，该方法基于对正向和反向碰撞的分析。之后他引入弛豫时间的概念，并发展了一般形式的输运理论，将其应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年，他引入了“统计力学”这个术语。麦克斯韦擅长运用数学工具分析物理问题，精确地表达科学思想。他非常重视实验，在他的领导下，卡文迪什实验室成为世界知名的学术中心之一。
主要论文与著作
论物理的力线
在这篇论文中，麦克斯韦首次提出位移电流概念，并假设了有旋电场的存在，指出这种场的电力线是闭合的
电磁场的动力学理论
麦克斯韦建立了电磁现象的完整的力学模型，把握住隐藏在纷繁的电磁现象背后浮现出来的某些本质特征之后，便放弃了牵强的磁涡旋和惰轮性电粒子的构想，在实验事实和普遍的动力学原理的基础上，提供一个全新的理论框架一电磁场的动力学理论
论气体动力学理论
麦克斯韦放弃气体分子的钢球模型和三个速度无关的假定，在更严格的条件下重新推导自己的气体速度分布规律，使之建立在更为严密的基础之上，随后又提出能量均分定理
社会任职
荣誉奖项
个人生活
麦克斯韦性格羞怯沉默且从小稍有口吃，但他在讨论自己所感兴趣的物理问题时，就像是换了一个人一样，变得口齿伶俐，浑身散发着因灵感进发而兴奋不已的光芒。大多数时候，麦克斯韦还是一副文质彬彬、温和寡言的样子，这样的性格并不招学生喜欢，只有极少数的优秀学生能够跟得上他跳跃的思路和简洁的语言。
人物关系
人物轶事
在麦克斯韦尚小时，有次父亲叫他画静物写生，对象是插满金菊的花瓶。麦克斯韦画毕，父亲便笑了起来。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形，大概是表示叶子的。父亲觉得麦克斯韦似乎很有数学天赋，便开始教他几何学，后来又教他代数，从此麦克斯韦就与数学结下了不解之缘。
人物评价
“我们当中的一部分人在我们之后还会活着，他们或大或小地影响着整个人类和宇宙。这就是不朽的灵魂。灵魂有大有小……莎士比亚和艾萨克·牛顿的灵魂是惊人地大。这种人在他们去世后依然有美好的影响。麦克斯韦就是这种人当中的一个。他的灵魂依然会长久地活在更多人的心中，乃至在几百年后还像闪亮的恒星那样发出耀眼的光芒，这些恒星发出的光须好多年才能到达地球。”——亥维赛（Hevester）（英国物理学家）
“麦克斯韦的建树是艾萨克·牛顿以来，物理学最深刻和最富有成果的工作。”——爱因斯坦（物理学家）
“他的工作成就非常引人注目。其实相对于他提出的卓越观点而言，他的个性更加突出。他的思路敏捷而富有跳跃性，让人难以捉摸，言谈之间常常是一个题目还没有讲完就跳到另一个题目上。”——威廉·汤姆逊（英国数学家、物理学家）
“麦克斯韦将数学应用于物理问题，这是我曾经遇到过的最出色的解决方法。”——乔治·艾里（英国皇家天文学家）
“几万年以来，从漫长的人类史来看，毫无疑问，麦克斯韦提出的电磁学理论是19世纪最重大的发现。”——理查德·费曼（物理学家）
后世纪念
麦克斯韦基金会
为纪念麦克斯韦对科学做出的巨大贡献，传递他淡泊名利、严谨治学的精神，爱丁堡成立麦克斯韦基金会，并将印度接14号作为麦克斯韦基金会的场所，供来自各地的科学家们交流，同时展览麦克斯韦的手稿和照片。
麦克斯韦缝
土星环之间的缝隙以苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的名字命名，他证明了土星环必须由无数个单独的粒子组成，而不是固体的同心环。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦大厦
James Clerk Maxwell 大楼 （JCMB） 是爱丁堡大学国王大楼的行政和教学中心，位于市中心以南约 2 英里处。
参考资料
James Clerk Maxwell, Master of Electromagnetism.ThoughtCo.2024-12-29
James Clerk Maxwell.Darwin, Then and Now.2024-12-29
James C. Maxwell.Biography.2024-12-29
James Clerk Maxwell.THE ROYAL SOCIETY.2024-05-07
物理学史站 | 麦克斯韦的主要成就.福建师范大学物理与能源学院.2023-12-25
麦克斯韦.湖南人文科技学院.2023-12-25
麦克斯韦，J.C..中国大百科全书.2024-04-10
PIA09857: Maxwell's Namesake.Planetary Data System.2024-05-07
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦大厦 （JCMB）.THE UNIVERSITY OF EDINBURGH.2024-05-07