在讨论以太模型的时候,麦克斯韦对自己发现的一个重要事实引起了极大的注意．他分析了法拉第对电介质的研究以后,确认在电场变化着的电介质中,也存在电流,他把这称做“位移电流”．另外,他还计算出这种电流的速度．麦克斯韦惊奇地发现: 位移电流的速度恰好等于光速!

这是偶然的巧合吗? 天下哪有这样的巧事．他兴奋得几天都没有睡好觉,妻子帮他仔细核对了好几遍,数据确实没有差错．这意味着他计算出了电磁波的传播速度同光速是相等的,这是个非常了不起的发现,尽管他当时还没有完全意识到这一点．几天后,他写信给法拉第报告了这个结果．他在信里说,他计算出的电磁波的传播速度是“每秒310740 公里”,而“12年以前菲索(1819－1896)用直接实验测定的光速,却是每秒314858 公里! ”信寄出的时间是1861年10月19 日．法拉第有没有给他回信,史料上没有记载．但是毫无疑问,正是这个发现,促使麦克斯韦4年以后断定光就是电磁波。

1862年,麦克斯韦在英国《哲学杂志》第4 卷23 期上,发表了第二篇电磁学论文《论物理学的力线》．文章一登出来,立刻引起了广泛的注意．英国著名物理学家、电子的发现人约瑟夫·汤姆逊后来回忆说: “我到现在还清晰地记得那篇论文．当时,我还是一个18 岁的孩子,一读到它,我就兴奋极了! 那是一篇非常长的文章,我竟把它全部抄下来了．”

这的确是一篇划时代的论文,它同1855年的《论法拉第的力线》相比,有了质的飞跃．论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译,而是作了重大的引申和发展．其中具有决定意义的一步,是引进了“位移电流”的概念．这以前,包括法拉第在内,人们讨论电流产生磁场的时候,指的总是传导电流,也就是在导体中自由电子运动所形成的电流．麦克斯韦在研究中感到这个旧概念存在很大的矛盾．比如在连接交变电源的电容器中,电介质里并不存在自由电荷,也就是没有传导电流,但是磁场却同样存在．麦克斯韦经过反复思考和分析,毅然指出,这里的磁场是由另一种类型的电流形成的,这种电流在任何电场变化着的电介质中都存在,它和传导电流一起,形成了闭合的总电流．麦克斯韦通过严密的数学推导,求出了表示这种电流的方程式,把它称做位移电流。

从理论上引出位移电流的概念,实在是电磁学上继法拉第电磁感应以后的一项重大突破．根据这个科学假设,麦克斯韦推导出两个高度抽象的微分方程式(方程式直到1865年才最后完善),这就是著名的麦克斯韦方程式．这组方程式,从两方面发展了法拉第的成就．一是位移电流,它表明不但变化着的磁场产生电场,而且变化着的电场也产生磁场；二是方程式不但完满地解释了电磁感应现象,而且还在理论上进行了总结．就是凡是有磁场变化的地方,它的周围不管是导体或者电介质,都有感应电场存在．经过麦克斯韦创造性的总结,电磁现象的规律,终于被他用不可动摇的数学形式揭示出来．电磁学到这时才开始成为一种科学的理论。

在自然科学史上,只有当某一种科学达到了高峰,才可能用数学表示成定律形式．这些定律不但能够解释已知的物理现象,而且还可以揭示出某些还没有发现的东西．正像牛顿的万有引力定律预见了海王星一样,麦克斯韦在《论物理学的力线》中,预见了电磁波的存在．他指出,既然交变的电场会产生交变的磁场,交变的磁场又会产生交变的电场,那么,这种交变的电磁场就会用波的形式向空间散布开去．当时,麦克斯韦才31 岁,这是他一生中最辉煌的一年。

麦克斯韦继续向电磁学领域的深度进军．1865年,他发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》．论文发表在《伦敦皇家学会学报》上．在这篇重要文献中,麦克斯韦方程的形式更完善了．他采用法国数学家、力学家拉格朗日(1736－1813)和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿(1805－1865)创立的数学方法,由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程,电磁波的传播速度根据那个波动方程的系数计算,正好等于光速! 这同麦克斯韦4年以前推算的那个比值完全一样．直到这个时候,电磁波的存在是确定无疑的了! 因此他大胆断定,光也是一种电磁波．法拉第当年关于光的电磁理论的朦胧猜想,就这样由麦克斯韦变成了科学的理论．法拉第和麦克斯韦的名字,从此联系在一起,就跟伽利略和牛顿的名字一样,在物理学上永放光彩．麦克斯韦在伦敦皇家学院总共任教5年．这5年是他一生中的多产时期。

除了建立电磁理论以外,他在分子物理学、气体动力学上也都有贡献．1865年,麦克斯韦正式宣布光的电磁学以后不久,就辞去皇家学院的教席,回到他的家乡格伦莱庄园系统地总结研究成果,撰写电磁学专著．经过几年苦干,他写的《电磁学通论》在1873年问世．这是一部电磁理论的经典著作,麦克斯韦系统地总结了19 世纪中叶前后,库仑、安培、奥斯特、法拉第和他本人对电磁现象的研究成果,建立了完整的电磁理论．这部巨著的重大意义,完全可以同牛顿的《数学原理》(力学)和达尔文的《物种起源》(生物学)相比较,它也是人类智慧的结晶。

电磁理论的宏伟大厦,经过几代人的努力,巍然矗立起来了! 《电磁学通论》的出版成了当时物理学界的一件大事．当时麦克斯韦已经回到剑桥大学任教,他的朋友和学生对这部书已经期待很久了．人们争先恐后地到书店里去购买,第一版几天就卖完了。