人们常说,继库仑、高斯、安培、法拉第发现了电学和磁学的四条实验定律之后,麦克斯韦引入了位移电流,在他的麦克斯韦方程组中实现了电磁学的伟大综合。这种说法不能说是错的,但它并没有道出微妙的几何和物理直觉之间的关联,而正是这种关联促使场论在19世纪取代了超距作用的概念,也正是它带来了20世纪粒子物理中非常成功的标准模型。
1820年奥斯特发现电流能使其附近的小磁针偏转。这一发现使整个欧洲科学界大为振奋,带来的结果之一是安培关于“超距作用”的成功理论。在英格兰,法拉第也因为奥斯特的发现而激动不已,但他缺乏足够的数学训练,所以无法理解安培的工作。法拉第所说的“事实”指的是他那些已发表和未发表的实验。从1831年到1854年的23年间,他把这些实验结果汇编成三卷本,取名《电学的实验研究》。
1854年,麦克斯韦从剑桥大学三一学院毕业。此时他23岁,朝气蓬勃,热情洋溢。他在2月20日给汤姆孙写了一封信。汤姆孙是一个神童。当时他担任格拉斯哥大学教授已经八年了。麦克斯韦找对了人:1851年汤姆孙引进了今天我们称之为矢量势的A,从而将磁场表示为。我们接下来会看到,这个方程对麦克斯韦来说具有重大意义。
在完成第一篇文章5年之后,麦克斯韦开始发表他的第二篇文章,它分成4个部分在1861年到1862年间陆续发表。和他之前的文章不同,这篇文章非常难懂。从我们可以看到,这篇文章的主要想法是以如下方式来理解电磁现象:“按照这一假说,磁场里充满了无数旋转着的物质的涡旋,它们的转轴在每一点的方向都和磁场方向一致”。
麦克斯韦的第三篇文章发表于1865年,其中提出了今天我们所熟知的麦克斯韦方程组。如果用矢量形式写下来,它们是四个方程。麦克斯韦最初的方程有20个:他是用分量形式来写的; 另外,麦克斯韦还加入了电介质和电流的方程。正是这篇文章在历史上第一次清晰地阐明了场论的概念基础——能量储存在场中。
1970年代,物理学家重返场论。这次他们采用的是非阿贝尔规范理论,它是麦克斯韦理论的一个优美推广。这里的形容词“非阿贝尔”有着精确含义:相继的两次操作得到的最终结果依赖于操作次序。今天,在深入理解自然界中的各种相互作用的结构这个问题上,规范理论是一个基础性的概念。