麦克斯韦传略.docx
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麦克斯韦传略
麦克斯韦传略
一、生平
麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，1831～1879）是英国伟大的物理学家，1831年6月13日生于英国苏格兰首府爱丁堡，1879年11月5日卒于剑桥，终年48岁。
麦克斯韦幼儿时期的教育由母亲承担，她教他读书，鼓励他对各种事物的好奇心。
麦克斯韦自幼聪慧过人，具有惊人的记忆力。
麦克斯韦10岁丧母，与父亲相依为命。
深厚的父子之情使麦克斯韦与父亲保持着频繁的通信，彼此交换思想和对社会的见解。
1841年，麦克斯韦被父亲送入爱丁堡公学求学，14岁时，麦克斯韦写出了第一篇科学论文，他找到了绘制完全卵形线的新方法。
该文发表在《爱丁堡皇家学会纪事》上，这使麦克斯韦能够进入爱丁堡的学术界。
麦克斯韦的过人才智、充沛精力以及不屈不挠的巨大毅力使他越来越闪烁着超越于同时代人的光辉。
1847年，麦克斯韦进人爱丁堡大学学习，时年16岁。
麦克斯韦在三年内学完了四年的课程，他钻研数学，写诗，如饥似渴地阅读，积累了极丰富的知识。
在爱丁堡大学期间，麦克斯韦受到两位显著不同的人的深刻影响。
一位是物理学家福布斯（JamesDavidForbes），他是实验家，因发明地震计，发现辐射热的偏振以及在冰川运动方面的几项开拓性工作而闻名。
另一位是哲学家哈密顿（WilliamHamilton），他因逻辑学方面的贡献而知名（另一位著名的爱尔兰物理学家、数学家与他同名）。
有趣的是，福布斯和哈密顿两人在学校事务的许多方面都是死对头，但对于教育麦克斯韦却表现出难得的一致。
福布斯培养了麦克斯韦对实验技术的浓厚兴趣，这对于一个理论物理学家来说，实在是非常难得的。
福布斯还要求麦克斯韦写作条理清楚，并把自己研究科学史的爱好也传给了麦克斯韦。
哈密顿则以他广博学识和严谨科学态度激发起麦克斯韦研究基本问题的兴趣。
1850年，麦克斯韦升入剑桥大学三一学院深造，在三一学院期间，麦克斯韦结识了一批才华横溢使学校四壁生辉的青年学者。
麦克斯韦加入了“使徒俱乐部”，这是一个仅由12人组成的具有优秀学术传统的俱乐部。
麦克斯韦参加俱乐部的活动，宣读论文。
在此期间，麦克斯韦在他那个圈子里十分活跃。
麦克斯韦独具天才，气势非凡，常常精辟深入地谈论各种问题，头头是道，还总能提出一些异乎寻常的见解。
麦克斯韦还帮助创办过剑桥工人学院，后来还为伦敦工人学院夜间的技工班坚持定期授课，直到1866年。
从进入剑桥大学的第二年起，麦克斯韦就有意着手准备他的学位毕业考试。
那时，这种提前准备学位毕业考试被那些自感优越的人看作是不光彩的事情。
然而麦克斯韦并不在意，他感到虽然以前读的书比同辈们多得多，但以追求阅读速度为主要目标的读书方式非常杂乱，没有好处。
麦克斯韦下决心克服这种毛病，切实地按照正规教育为大多数学生铺设的大道前进，这使他学到的知识既系统扎实，又巩固有条理。
1854年，麦克斯韦因证明了著名的斯托克斯（Stokes，1819—1903）定理，通过了学位毕业考试，获得数学学位毕业考试的甲等第二名，并获得一等史密斯（Smith）奖。
矢量分析的斯托克斯定理对于麦克斯韦后来建立电磁场理论是很重要的。
1854年麦克斯韦在剑桥大学毕业，1855年成为三一学院研究员，1856年担任阿伯丁（Aberdeen）大学马里斯查尔（Marischal）学院的自然哲学教授。
1860年，麦克斯韦辞去阿伯丁大学的教授职务，受聘为伦敦国王学院教授。
1858年，麦克斯韦与马里斯查尔学院院长的女儿达娃（KatherineMaryDewar）结婚，妻子比他大7岁。
麦克斯韦夫妇没有孩子。
麦克斯韦夫人体弱多病，生性妒忌而执拗，但他们的感情甚笃，夫人曾帮助麦克斯韦做色视觉和气体分子运动论的实验，积极支持他的学术工作。
在他们共同生活的最后几年，妻子病重，麦克斯韦悉心照料，同时坚持研究工作，作为一个孝子、贤夫、良师、益友，麦克斯韦的温和与无私受到了人们的敬重。
麦克斯韦大学毕业后便开始了多方面的物理研究。
麦克斯韦一生发表了大约100篇论文，写了四本书。
从1854年到1861年，麦克斯韦从事色视觉的研究，建立了色度学的定量理论，并于1861年在皇家研究院映示了第一张三原色照片。
从1855年到1859年，麦克斯韦致力于土星环运动的稳定性研究，1857年为此获亚当斯（Adams）奖。
从1855年到1865年，麦克斯韦先后发表了关于电磁学的三篇著名论文，建立了电磁场方程组，为电磁场理论和光的电磁理论奠定了基础。
1860年，麦克斯韦提出了第一个气体分子速率分布律，以后又有许多其他研究，为气体分子运动论和统计物理奠定了基础。
1864年，麦克斯韦研究构架应力的计算问题，提出了一个几何学的讨论“论倒易图形与力的图解”，1870年，麦克斯韦进一步将倒易函数的方法推广到连续介质，为此，麦克斯韦被爱丁堡皇家学会授予凯斯（Keith）奖章。
此外，麦克斯韦在几何光学，光测弹性，伺服机构（节速器）理论，流变学与粘弹性，弛豫过程等方面，也都有重要的带有根本性的贡献。
麦克斯韦不仅是一位天才的理论物理学家，同时也是一位杰出的实验物理学家。
麦克斯韦发现了流动液体的双折射现象。
麦克斯韦发明了混色陀螺，实像体视镜以及由电容和电感组成的电桥（麦克斯韦电桥）。
麦克斯韦用实验精确验证了电力平方反比律。
麦克斯韦夫妇还用实验测量了气体的粘滞系数。
在物理学史中，麦克斯韦是名声仅次于牛顿（牛顿）和爱因斯坦（爱因斯坦）的伟大物理学家。
1865年麦克斯韦从正规的学院生涯引退，专心致力于撰写他那驰名的巨著《电磁通论》。
1866年，1867年，1869年及1870年，麦克斯韦担任剑桥大学数学荣誉学位考试的主考人和监考人，在考试内容和形式方面制定了一系列的改革措施，受到广泛赞扬。
1871年，麦克斯韦被任命为剑桥大学的第一位实验物理学教授。
麦克斯韦用了大量的时间和精力规划创建卡文迪许（卡文迪许）实验室和整理卡文迪许遗留的手稿。
麦克斯韦还带领他的学生们在新的基础上重复和改进了卡文迪许的一些实验，获得了不少有意义的结果。
在麦克斯韦的主持下，卡文迪许实验室开展了教学和多项科学研究，并树立起自己动手扎实严谨的优良学术传统。
麦克斯韦整理卡文迪许遗稿所写成的《关于可敬的亨利·卡文迪许未发表的电学著作的绪论和注释》是科学编辑工作的杰作。
此外，麦克斯韦还是著名的第九版《大英百科全书》的科学编辑之一，为该书撰写了许多重要条目。
纵观麦克斯韦一生的科学活动和学术成就，麦克斯韦善于正确地历史地审查物理学已有的重要成果及其基础，天才地发现问题的核心和关键，做出具有开拓性与奠基性的重大突破，直至建立完整的理论体系。
麦克斯韦高深的数学造诣，更使他的理论工作得心应手，扎实可靠。
麦克斯韦的另一鲜明特点是涉足领域的广泛多样，他往往在一个时期内同时交叉地从事不同领域的研究，都做出卓越的贡献。
麦克斯韦的博学多才和旺盛创造力令人赞叹不已。
此外，作为一个主要从事理论工作的物理学家，麦克斯韦对实验工作以及实验室建设的兴趣和热情实在难能可贵。
毫无疑问，麦克斯韦的学术成就标志着物理学历史上的一个时代。
1879年11月5日，麦克斯韦因患肠癌在剑桥逝世，年仅48岁。
二、创建电磁场理论和光的电磁理论
麦克斯韦关于电磁现象的研究从1854年在剑桥大学毕业后不久就开始了，一直持续到他逝世为止，为时长达25年之久。
麦克斯韦有关电磁学的研究工作大致可分为两个阶段。
从1854年到1868年为第一阶段，发表了五篇论文，其中最重要的是《论法拉第力线》（1855～1856），《论物理力线》（1861～1862），《电磁场的动力学理论》（1865）。
在这些论文中，麦克斯韦建立了电磁场理论和光的电磁理论，完成了毕生最重要的贡献。
有关内容详见本章57、58、59，此处不再重复。
在以后的第一阶段中，麦克斯韦撰写了《电磁通论》（Treatiseonelectricityandmagnetism）这一经典性著作和另一著作《电学简论》（Elementarytreatiseonelectricity），还发表了一些有关电磁学中特殊问题的论文。
1873年，麦克斯韦的专著《电磁通论》问世，这是一部涉及电磁学各研究领域的内容广泛的巨著。
《电磁通论》的宗旨并不是向读者详细阐述电磁场理论，而是记录麦克斯韦对电磁学中各种问题的研究结果和达到的高度。
《电磁通论》采用了一种较为松散的结构，与其说是按照演绎的逻辑体系撰写，不如说是按照历史的与实验的线索编排更为恰当。
各种问题中涉及的观念是按照不同课题的不同成熟状况来阐述的，并非首尾一贯，不同章节独立展开，有的地方出现间断，甚至出现前后不一致或论证中出现矛盾。
或许，《电磁通论》不能看作是一件完成了的作品，它更像是麦克斯韦的一间工作室，内部布置得井井有条，可以看得出，麦克斯韦计划在此工作室中完成一件宏伟的作品。
遗憾的是，由于忙于其他事务，加上英年早逝，使麦克斯韦未能完成这一宏愿。
即便如此，这部巨著仍处处闪烁着智慧和创造力的光辉。
在《电磁通论》里，麦克斯韦更为彻底地应用动力学原理（Lagrange方程）发展了他的动力学理论体系，使他的电磁场理论更加完善，基础也更为坚实。
并且，麦克斯韦还采用与以前不同的方法，再次证明电磁波的传播速度等于光速，还证明光波具有光压。
过去一般认为，光压有利于光的微粒说而不利于光的波动说，现在光压对于光的波动说也顺理成章了。
在《电磁通论》中，麦克斯韦使用了Tait关于“四元数”理论的数学工具，并把它应用于电磁场方程。
这种理论成为矢量运算和矢量分析的前身。
它也是麦克斯韦工作的一种“副产品”。
后来，经过亥维赛（O．Heaviside）和J．W．Gbbs的努力，建立了矢量分析的数学分支。
在物理学某个分支兴起和完善的同时，唤起或刺激相应数学分支的诞生和发展，这在物理学史中并不罕见。
在《电磁通论》里，数学分析的有关发展还包括互易定理对静电学的应用，格林（Green）函数的一般处理，场与网络理论中的拓扑方法，以及球谐函数的优美的极坐标表示。
在《电磁通论》里，总结了与两类矢量（后来称为极矢量和轴矢量）以及与两类张量（数学上称为协变张量和逆变张量）有关的问题。
在《电磁通论》里，还总结了有关电磁学的单位制问题，并着手研究有关参考系的问题。
此外，《电磁通论》还包含对实验技术的贡献，众所周知的用于测量电感的“麦克斯韦LC电桥”就是一例。
总之，《电磁通论》是一部内容极其广泛，成果极其丰富的巨著。
《电磁通论》一书中译本的“汉译者前言”指出：
“众所周知，本书是整个科学史中的一部超级名著，是可以和欧几里德《几何学原本》或牛顿的《自然哲学之数学原理》相提并论的。
一部这样的经典名著，永远可以给后人以重要的启示和鼓舞。
”“本书的体裁并没有构成一个尽可能‘公理化’的理论体系，而是夹叙夹议，如泉涌出。
这是和欧几里得或牛顿的书很不相同的。
作者在原序中曾经提到这一点。
据说作者原打算对本书进行重大而全面的修订和扩充，可惜因他过早逝世而未能竟其全功。
由于这种原因，再加上时代的不同，书中许多方面的表达方式就和今天人们所熟悉的方式有些差异。
”有兴趣的读者不妨找《电磁通论》中译本一阅，以领略这部传世经典名著的独特风采。
三、筹建卡文迪许实验室，整理卡文迪许遗稿
麦克斯韦在他一生的最后8年里，把大部分精力奉献于筹建卡文迪许实验室和整理卡文迪许遗稿。
1869年，剑桥大学决定设立一个实验物理的教授席位，并建设一个物理实验室。
1870年，当时的剑桥大学校长亨利·卡文迪许的近亲，德文郡第七代公爵威廉·卡文迪许（WilliCavendish）慷慨解囊，捐款支持这一事业，实验室定名为卡文迪许实验室。
1871年，麦克斯韦当选担任此教授席位，成为剑桥大学的第一位实验物理教授。
麦克斯韦在就职演说中，阐明了这个实验室在大学的研究工作中应担负的任务。
麦克斯韦指出：
“许多极为荒谬的主张，只要表达的语言和某些著名的科学术语相似，就会变得流行起来。
凡此种种，大概就是人们给予科学的敬意吧。
如果社会准备接受各种科学主张，那么，我们所要提供的就不仅是要普及和探索种种真实的科学原理，而且也要普及和培养一种健全的评判精神。
”麦克斯韦到任后的第一项工作是制订筹备建设新实验室的种种计划。
他花了很多精力从事此项工作，虽然大学指派了W．M．Fawcett负责设计和督造，麦克斯韦仍为实验室的设计和实验室的设备作了周密的考虑，并且当经费不足时，自己拿出一笔钱来购置仪器。
1874年卡文迪许实验室建成，这是世界上作为研究单位的最早的物理实验室之一。
它标志着物理实验开始从科学家的私人住宅走进了实验室。
在卡文迪许实验室的橡木大门上，用粗大的字体铭刻着拉丁版圣经中的一句话：
MagnaoperaDminiexqulsltainomnesVoluntatesejus”（王之作为，极其广大；凡乐之嗜，皆必考察）。
它表达了麦克斯韦希望在他筹建的实验室里做出种种研究工作的态度。
在麦克斯韦的主持下，卡文迪许实验室开展了教学和多项科学研究工作。
在教学中，麦克斯韦重视演示实验，并且要求演示实验仪器结构简单，学生易于掌握。
麦克斯韦指出：
“这些实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比。
学生用自制仪器，虽然经常出毛病，但比起仔细调整好的仪器，学生却会学到更多的东西。
而仔细调整好的仪器使学生易于依赖，也不敢去拆卸它们。
”从那时起，使用自制仪器成了卡文迪许实验室的传统。
对于研究性的实验，麦克斯韦非常重视物理量的精确测量。
麦克斯韦指出：
“在严密地称得上实验的研究中，最根本的目标是量度我们所见的东西，获得某些量的数值估计……在实验中，我们不能满足于对现象的熟悉，而应从它的种种特征中找出哪些能够量度，并找出需要如何量度，这样才能对于这些现象得到完全的说明……精细的量度获得的报答是新研究领域的发现和新科学观点的形成。
”麦克斯韦在指导学生的研究工作时极其认真，他主张让学生用自己的力量去克服遇到的种种困难，教师与其把这些困难排除，倒不如鼓励学生同困难奋斗。
麦克斯韦喜欢学生自行构思研究题目。
麦克斯韦指出：
“我从来不劝阻别人从事一项实验，即使他找不到所期待的东西，他也可以得到其他的东西。
”麦克斯韦为卡文迪许实验室制定的一套研究方针为以后的发展开辟了道路。
在这个时期，麦克斯韦本人的工作主要是整理卡文迪许的遗稿。
卡文迪许在世时仅发表了两篇论文，而遗留下来未发表的数学和电学实验的手稿却有二十札之多。
这些手稿内容极其丰富，其中许多是科学发现的先驱。
例如，卡文迪许比法拉第更早就形成了电容和介电常量的概念，首先提出电势的概念，比欧姆更早发现导电规律（即欧姆定律），卡文迪许所做的验证电力平方反比律的实验以及相应的理论分析也比库仑的扭秤实验更早且更有价值，等等。
麦克斯韦带领学生逐一重复卡文迪许的各项实验，并作了一些重要的改进。
麦克斯韦编辑出版的《关于可敬的亨利·卡文迪许未发表的电学著作的绪论和注释》一书以及他为此书撰写的绪论和注释，是科学编辑的典范。
四、麦克斯韦提出涡旋电场概念来解释感生电动势
本段扼要介绍麦克斯韦对电磁感应的研究及其主要结论，有关的详尽内容请参阅本书第?
章56。
麦克斯韦继承了法拉第关于电磁现象的近距作用观点，同时清醒地意识到法拉第深刻的物理思想需要恰当的数学表述，只有这样才能建立起与纽曼和韦伯超距作用电磁理论完全不同的近距作用电磁理论——电磁场理论。
在麦克斯韦建立电磁场理论的过程中，他对电磁感应的研究是一个重要的突破。
麦克斯韦既坚持法拉第的近距作用观点，又广泛汲取了纽曼与韦伯的超距作用电磁理论中的合理内容。
具体地说，麦克斯韦借用纽曼和韦伯的数学手段来定量表述法拉第的物理思想，或者也可以反过来说，用法拉第的观点对纽曼和韦伯的定量结果作近距作用的解释。
麦克斯韦认为，纽曼引入的电动力学矢势α（纽曼对α的物理意义未作说明），正是描述法拉第提出的电紧张状态的物理量，麦克斯韦称α为电紧张函数。
对于法拉第提出的电紧张状态的变化是产生感应电动势的原因这一重要思想，麦克斯韦把它重新确切地表述为“导体任意基元上的电动力，用该基元上电紧张强度的变化率量度”。
麦克斯韦把任意基元上由感应引起的电动力表为E涡旋，此即涡旋电场的电场强度。
于是，有
E涡旋
（7）
现在，α和E涡旋都是描述场的物理量。
在上一段，根据α的定义
（2）式、比奥-萨伐尔定律及矢量公式，得出B和α的关系「即（4）式」为
（8）
利用矢量分析的Stokes定理，麦克斯韦得出
（9）
式中S是任意曲面的面积，
是S的周界。
超距作用观点认为，α由
（2）式定义，没有具体的物理含义，B则是单位磁极所受的作用力，（8）式和（9）式给出了B和α的关系。
对此，麦克斯韦做出了近距作用的解释：
α描述电紧张状态，B描述磁场，并把揭示B和α关系的（9）式解释为：
“绕任意曲面周界的全部电紧张强度（即
）量度了穿过该曲面的磁力线数（即
）”。
这样，借助于由（7）式引入的涡旋电场E涡旋，麦克斯韦把电磁感应定律表为
涡旋
（10）
于是，在近距作用观点看来，电磁感应定律「（10）式」的含义十分清楚：
通过任意曲面S的磁力线数目（即磁通量Φ）的变化，决定了该曲面周界
上的感应电动力（即涡旋电场E涡旋），引起了感应电动势ε。
由此可见，借助于涡旋电场概念的引入，麦克斯韦把法拉第对电磁感应的近距作用定性解释与纽曼和韦伯的定量表述完美地结合了起来。
随着动生电动势与感生电动势的区分，人们进一步认识到：
动生电动势是在恒定磁场中运动的导体内产生的感应电动势，其实质是磁场对运动电荷的作用力即Lorentz力；感生电动势则是导体不动，因磁场变化产生的感应电动势，其实质是变化磁场产生了涡旋电场。
感生电动势揭示了电场与磁场内在联系的一个重要方面，从这种意义上讲，感生电动势是真正的电磁感应。
麦克斯韦提出的涡旋电场概念，不仅为电磁感应现象提供了近距作用的解释，它还具有更重要的意义。
首先，扩大了人们对电场的了解，即除了静电场外还有涡旋电场。
静电场由带电体产生，是有源无旋场；涡旋电场由变化磁场产生，是无源有旋（左旋）场。
两者的产生原因不同，性质也不同。
两者的共同性是都能对其中的电荷有作用力，所以都称为电场。
如果空间既有静电场又有涡旋电场，则总电场是两者之和，总电场是有源有旋（左旋）场。
其次，既然变化磁场会产生涡旋电场，就必然会提出寻找它的逆效应这样一个深刻的命题。
麦克斯韦用位移电流的假设（即变化电场会产生磁场的假设）回答了这个问题。
至此，人们对电场与磁场的内在联系有了全面、完整的认识，并进而导致电磁波概念的诞生。
众所周知，电磁波预言的实验证实，宣告了麦克斯韦电磁场理论的胜利，这也是近距作用观点在电磁学领域的胜利，具有深远的理论意义和广泛的应用前景。
作为对比，超距作用观点不承认电磁场的客观存在，只关心电磁相互作用，在他们看来，电流磁效应和电磁感应已经构成了电磁相互作用完整的两个方面，问题已经终结。
由此可见，正确的物理思想具有何等重要的指引作用。
五、Maxwe11的《论法拉第力线》（1855—1856）
1854年，年方23岁的麦克斯韦在英国剑桥大学毕业。
在威廉·汤姆逊（Kelvin，开尔文勋爵）的影响下，麦克斯韦进入了电磁学领域，开始从事电磁场的理论研究工作。
为此，麦克斯韦作了多方面的准备。
首先，年轻的麦克斯韦接受了威廉·汤姆逊劝他多读法拉第著作的忠告，认真地通读了法拉第的三卷论文集《电学的实验研究》。
法拉第广泛深入的实验研究，对错综复杂电磁现象提供的简洁而深刻的近距作用解释，深深地打动了麦克斯韦。
这样，在进入电磁学研究领域之初，麦克斯韦就继承了法拉第彻底的近距作用思想，坚定了以近距作用的场观念来研究电磁现象的信念。
其次，麦克斯韦大量阅读了威廉·汤姆逊的工作，以及高斯（高斯）、格林（Green）、泊松（Poisson）、斯托克斯（Stokes）等人的有关论述，领会了类比研究的方法，掌握了当时已有的但并不完善的数学工具。
再次，对于当时已经建立的，以安培、纽曼、韦伯为代表的，试图以库仑力和韦伯力（运动电荷之间的作用力）来解释全部电磁现象的大陆派超距作用电磁理论，麦克斯韦一方面给予应有的肯定，同时也深刻地洞察了其中的内在矛盾、困难和不协调，从而更加强了致力于建立电磁场理论的决心。
从19世纪50年代中期到60年代中期，在10年左右的时间内，麦克斯韦经历了一条曲折的道路，终于建立起完整的电磁场理论，完成了毕生最重要的贡献。
麦克斯韦建立电磁场理论的工作集中反映在他的三篇著名电磁学论文中，即1855—1856年的《论法拉第力线》，1861—1862年的《论物理力线》，以及1865年的《电磁场的动力学理论》。
从本节起，我们用三节的篇幅，逐一详细地介绍这三篇经典文献。
由于时代的间隔，阅读100多年前的经典文献是艰辛的，但却是激动人心的。
毫无疑问，弄清楚麦克斯韦当年究竟怎样建立电磁场理论具有重要的意义，因为它不仅可以为当前的电磁学教学提供切实的根据，而且可以充分领略麦克斯韦深刻的物理思想和极具特色的研究方法，从中汲取丰富的营养。
六、前言——研究对象：
力线，研究方法：
类比
在《论法拉第力线》第一部分的前言中，麦克斯韦环顾了当时电磁学已有的研究成果和研究状况后指出，虽然已经建立了许多电磁学实验定律和有关的数学理论，但是却未能揭示出各种电磁现象之间的联系。
麦克斯韦评论道：
“电科学的现状看来特别不便于思索，”每一部分的理论都“还没有与学科的其他部分建立起联系”，“没有一种电的理论是向前发展的”。
麦克斯韦主张，必须建立静电与动电，电磁力与感应之间的联系，需要把已有的研究成果“简化和缩写成一种思维易于领会的形式”。
由此可见，麦克斯韦不仅关注电磁学各个部分的重要问题，更试图寻找联系，试图为错综复杂的各种电磁现象提供简明深人的统一解释。
麦克斯韦意识到，统一的电磁理论的诞生，将会推动电磁学大踏步向前发展，开创崭新的局面。
接着，麦克斯韦明确宣布：
“我并不试图建立任何物理理论，我的计划只限于指明，通过严格应用法拉第的思想和方法”，特别是力线的概念，使“各种现象之间的联系更为清楚”。
这表明，麦克斯韦认为，法拉第提出的力线概念是寻找联系建立理论的关键。
换言之，麦克斯韦决心继承法拉第彻底的近距作用观点，以“法拉第力线”为研究对象，建立统一的近距作用电磁理论。
或许是意识到这一任务的艰巨性，难以一蹦而就，麦克斯韦谦虚而实事求是的声明“我并不试图建立任何物理理论”。
后来，经过约10年的努力，麦克斯韦终于完成了建立电磁场理论的伟业。
什么是力线呢？
尽管法拉第已经作过许多解释，麦克斯韦仍然强调：
“我要解释和说明‘力线’的概念”。
根据带电体对带正电或带负电小物体的作用力，或者，根据磁体对小磁针N极或S极的作用力，“我们可以发现一条线，它经过空间任一点，它表示作用在带正电粒子上的力的方向，或表示作用在N极上的力的方向。
”这样画出来的曲线就是“力线”，力线“填满了全部空间”。
为了使力线不仅能够描绘力的“方向”，而且能够描绘力的“强度”，麦克斯韦指出，可以把力线看作是类似于“携带不可压缩流体的可变截面的细管”，用“虚构的流体速度表示力的强度”，“于是我们就得到了物理现象（指电磁现象——引者）的几何模型”。
可见，力线是描绘电力或磁力大小、方向的几何曲线，力线是在一定（或全部）空间范围内连续分布的客体，或者，从数学上说，力线是一个矢量场。
对于力线这样一种新的研究对象（完全不同于传统的质点和刚体），如何着手研究呢？
麦克斯韦认为，只采用数学公式和物理假设是不够的，必须寻找新的研究方法，这就是“物理类比”的方法。
麦克斯韦认为，类比可以沟通不同的研究领域，可以在解析的抽象形式和假设方法之间提供媒介，可以借鉴和移植已有的数学工具和表述方式，甚至可以启发物理思想。
总之，在《论法拉第力线》第一部分的“前言”中，麦克斯韦评价了当时电磁学研究的状况，表明了寻找联系、建立统一电磁理论的愿望，确定了以法拉第力线为研究对象，并打算采用类比方法来加以研究。
八、力线与流线的类比，两类矢量
作为类比研究的准备，麦克斯韦在《论法拉第
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