113/03/14
透過西班牙水資源危機 重新思考用水的方式
郭羽漫｜
科技大觀園特約編輯
電是電荷所產生的，磁則是電流所產生的。馬克斯威爾用他著名的方程組，指出電跟磁並不是個別現象，變電可生磁，變磁亦可生電，這個相生關係最奧妙的表現形式，就是電磁波。他是如何將這兩個物理現象，以非常漂亮的方式結合在一起的呢？
講演綱要（撰文｜高英哲）
馬克斯威爾對法拉第推崇備至，曾說自己除了法拉第的書以外都不看，就算看了也不敢用別人的論述來思考電磁學。法拉第對電磁學的見解，確實跟當時歐陸的主流想法南轅北轍，那時的歐陸物理界普遍認為，電荷之間的作用力是一種超距力，帶電物體周圍的空間，在電磁作用中不具備任何作用。法拉第透過實驗結果展示，在遠離電荷的空間中，還是可以產生電的效應，據此反對電是超距力的傳統看法，並且將原本被認為電荷周圍不具備任何作用的空間，籠統地稱為「電磁場」。
對於電磁場這個概念，法拉第提出兩種說明。第一種是磁力線，法拉第認為磁力線具有真實的力學性質，沿線方向有張力而傾向收縮，線與線之間則彼此排斥，因此可以解釋磁鐵彼此有相吸或相斥的反應。另一種解釋則認為空間中有一種由細小粒子組成，彼此會產生影響的介質，以「波」的形式傳播電磁力。這兩種說法可以說彼此矛盾，不過當初物理學家對電磁學的了解，並不像我們今日這麼透徹，所以也只能先粗略地設想，再加以求證。
馬克斯威爾在電磁學的研究工作，因此就聚焦在如何把三項個別已知，並且已有方程式加以描述的現象，用一個統整的概念加以整理：
‧帶電物體有靜電力，同性相斥，異性相吸。
‧磁鐵與電流具有磁力。
‧變化的磁場會感應而產生電流。
歐陸的物理學家都是用代數方法，來描述這三個現象。馬克斯威爾則是繼承法拉第的想法，認為電磁學研究必須從帶電粒子周圍的空間出發，因此採用法拉第的磁力線，從幾何角度加以著手，提出電磁場有其形狀的假說。不過在氣體動力學的領域也頗有貢獻的馬克斯威爾，甚至超脫了法拉第的磁力線概念，把電磁場想像含有介質粒子的空間，嘗試從介質組成成分來了解電磁場的行為。他發現電磁場跟漩渦很像，有向旋轉軸收縮，向旋轉面擴張的傾向，因而提出「分子漩渦假說」：空間中充滿著可旋轉的微小流體，而磁場大小正是由這些微小流體的旋轉速度所決定；流體旋轉軸的方向會形成長直導線的圓，那就是磁力線的方向。
電的說明則比較麻煩一些。馬克斯威爾有了磁場的理論基礎後，認為靜電力是來自介質流體的彈力，於是直接把一般介質的橫波波速公式引入，單靠一個模型就能說明電磁波的由來，是相當了不起的成就。他後來發現電磁場其實是一個自動化的系統，有自己的能量跟運動方程式，所以就不再需要旋轉流體的模型，只消用一堆抽象物理量的方程式加以滿足，就能敘述這個系統。讓理工科學生頭大的馬克斯威爾方程式於焉誕生。
科學發現儘管最後的成果十分純粹，過程中卻充滿著錯誤的線索，以及偶然的意外；科學家往往是從錯誤的推理中誤打誤撞，從而得到正確的結論。馬克斯威爾對電磁學理論的建構過程，讓我們再一次體會到箇中的奧妙。