麦克斯韦与现代理论物理*

尼尔斯·玻尔

编者按

1931年10月，剑桥大学举行了麦克斯韦诞辰一百年纪念会，尼尔斯·玻尔在会上发表了一篇有关麦克斯韦和现代理论物理的演讲。玻尔指出麦克斯韦的电磁学理论为人类了解原子世界作出了贡献，也为创立量子理论提供了基础。虽然量子理论超越了麦克斯韦的学说，但量子力学中的分析手段离不开麦克斯韦的理论，尤其是在建立光量子能量和动量之间的关系时。玻尔认为麦克斯韦的理论在物理学中的核心地位不会丧失，因为量子物理定律中的公式都是按照麦克斯韦所描述的经典世界创建的。ft　　英文

我非常荣幸能有机会在此表达我对电磁学理论的创立者——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的敬意，因为电磁学理论对每一位物理学家的研究工作都是非常重要的。在这个纪念庆典上，三一学院院长和约瑟夫·拉莫尔爵士已经给我们作了最具权威性的精彩演讲，介绍了麦克斯韦的重要发现和伟大人格，还提到剑桥大学一直坚持把麦克斯韦的生活与工作和我们所处的时代紧密相连的传统。尽管我早年曾有幸在剑桥大学工作过一段时间，也接受过知名英国物理学家们的指点，但在这方面我恐怕讲不出更多吸引人注意的内容，不过我仍然非常高兴能应大会之邀来这里简单介绍一下麦克斯韦的研究与随后发展起来的原子物理之间的关系。ft　　英文

我不打算讲麦克斯韦对统计力学和气体动力学的重大贡献，因为普朗克教授已经在前面介绍过了，他还特别提到麦克斯韦和玻尔兹曼曾经一起进行过有效合作。在这里我只想谈一下如何应用电磁学理论解决原子的构成问题，在这个问题上，麦克斯韦的理论不仅很好地解释了相关的实验现象，而且已经达到了理论所能达到的极致，因为它可以启发和引导自身领域之外的研究工作的发展。ft　　英文

当然，我只能非常简短地介绍麦克斯韦理论在原子物理中的应用，因为仅这个问题本身就足以构成物理学中整整一章的内容。我要说洛伦兹和拉莫尔将电的原子本质与麦克斯韦理论结合在一起的思想非常成功，特别是由此可以解释包括塞曼效应的显著特征在内的色散现象。我还想提及朗之万教授在磁性的电子理论方面所作的贡献。遗憾的是，他今天不能到场为我们作报告。但我认为最值得一提的是约瑟夫·汤姆逊爵士在物质电子结构方面的开拓性工作一直受到麦克斯韦理论的启发，从他早期引入电子电磁质量这一基本概念，到后来他发明用伦琴射线的散射计算原子中电子数的方法，这种方法一直沿用至今。ft　　英文

我们都知道，原子理论的迅速发展使我们现在已经不能再像原来那样直接利用麦克斯韦的理论来解决原子内部的问题。但我要强调的是，正是因为有了光的电磁学理论，我们才可能去分析辐射现象，才可能认识到自然法则的一个全新特征。的确，普朗克关于量子行为的重要发现使我们必须从根本上修正自然科学中的所有观念。但即便如此，麦克斯韦的理论仍然能为我们的研究工作提供必不可少的指导。由电磁学理论可以推出辐射能量与动量之间的关系，而我们可以利用这种关系来解释康普顿效应，虽然爱因斯坦的光子理论明确指出康普顿效应与经典理论之间存在着明显的区别。麦克斯韦的理论在原子理论后来的发展中仍然具有一定的指导意义。尽管卢瑟福勋爵对原子结构的完整描述说明普通力学和电动力学具有极大的局限性，但想在这一领域进一步拓展就必须尽可能紧密地联系牛顿和麦克斯韦的经典理论。ft　　英文

乍看起来，我们似乎需要从本质上对麦克斯韦的理论进行修正，甚至有人指出，应该在麦克斯韦著名的自由空间电磁场方程中加入新项。但麦克斯韦的理论高度自洽非常完美，人们无法对它进行这样的修正。实际上，我们只能对整个理论进行一致化处理，更确切地说就是把麦克斯韦的方程翻译成一种新的物理语言，这种新语言通过为麦克斯韦理论中的每一个特征找到其在新形式下的对应特征来反映基本物理过程中的不可分性。前一段时间，德布罗意、海森堡、薛定谔和狄拉克在量子力学或电动力学方面所取得的突破性进展已经在很大程度上实现了上述目标。ft　　英文

今天，当我们听到物理学家们谈论“电子波”和“光子”的时候，这些概念似乎已经完全脱离了牛顿和麦克斯韦建立起来的理论基础；但是我认为，大家都会同意这样一个观点：这些新观念虽然发挥了很大的作用，但它们不过是一种用来说明量子理论特殊性的便捷方法，缺乏一般意义上的形象化特征。不要忘记，只有关于物质粒子和电磁波的经典观念得到了实际的应用，而光子和电子波的概念还没有应用到实践中。应用受到限制的主要原因是由于存在量子效应，不可能认为观察到的现象与所用的仪器无关。作为一个例子，我想谈一下麦克斯韦理论最著名的应用，也就是在无线电传输领域中的应用。认为电磁波由光子组成只不过是形式上的说法而已，因为我们在发射和接收电磁波的时候是无法确定电磁波中包含的光子数目的。因此我们可以说，以计数为本质的光子概念已经彻底不复存在了。ft　　英文

为了进一步说明问题，我们可以想象一下如果严格符合量子力学规律的电子衍射和光子效应是在麦克斯韦和法拉第的工作问世之前就已经发现了，那将出现什么样的情况呢？当然，这种情况是不可能出现的，因为用来解释以上实验发现的理论是以麦克斯韦和法拉第这两人的理论成果为依据的。不过，我们还是可以发挥一下我们的想象力，问问自己，如果没有麦克斯韦和法拉第的理论，科学会处于一个什么样的水平。我想如果说我们应该在牛顿和惠更斯认为光是一种物质的理论上加以拓展，这并不为过。事实上，我们应该意识到的是，对任何测量结果的准确解释都必须建立在经典物理理论的框架之内，从这个意义上我们可以说，牛顿和麦克斯韦的语言仍将是物理学家们的通用语言。ft　　英文

我认为现在不是继续深入讨论这些问题并在讨论中引入新观点的最好时机。但在最后我想说的是，目前麦克斯韦实验室正在现任的卡文迪什教授的领导下开展原子核内部结构方面的研究，我希望整个科学界都去探索这一全新的实验物理领域。事实上，我相信在座的剑桥大学同仁们都不会忘记牛顿和麦克斯韦的工作，也许我们已经看到利用这些成果最有可能取得后续的成功。就算我们必须做好进一步放弃常规理论的准备，大师们为我们总结的这些基本物理观点在这个新领域中也将被证明是必不可少的。ft　　英文

（王静　翻译；鲍重光　审稿）

* 这是1931年10月1日在剑桥举行的麦克斯韦诞辰一百周年庆祝大会上玻尔所作的演讲。