科學理論，是人類智慧活動最璀璨的結晶。一項重大的科學發現，往往不是一個人、一代人所能完成的，需要許多人甚至幾代人的共同努力。電磁理論的構建和統一就是一場偉大的接力跑。
法拉第的力線思想
電荷之間、磁極之間及電流元之間的相互作用，跟質點之間的萬有引力一樣，都不是接觸力，而且同樣遵守著“力的大小與距離平方成反比的規律”（簡稱平方反比律），就像四個孿生兄弟一樣。
對於萬有引力，牛頓認為，物體間的相互吸引力的傳遞，是不需要通過任何介質、不需要時間。在電磁學的發展過程中，許多著名的物理學家如富蘭克林、庫侖、安培也認為電荷間的相互作用是超距的。
法拉第研究了電介質對電力作用的影響，認識到這一影響表明電力不可能是超距作用。而是通過電介質狀態的變化進行作用傳遞，即使沒有電介質，空間也會產生某種變化。他從廣泛的實驗研究中提出：電荷和磁體周圍並不是空無一物，而是存在著一種由電荷和磁體本身產生的連續的介質，通過這種介質傳遞著電磁相互作用。法拉第把這種看不見、摸不著的介質稱為場。
邁克爾·法拉第 （Michael Faraday，1791年9月22日～1867年8月25日），英國物理學家、化學家
法拉第這種深邃的物理思想，未能用數學形式表達，但是他憑藉著豐富的想象力，構想出“力線”這種形象化的表示方法。他認為電荷和磁極周圍的空間充滿了力線，靠力線（包括電力線和磁力線）將電荷（或磁極）聯繫在一起。力線就像是從電荷（或磁極）發出，又落到電荷（或磁極）的一根根橡皮筋一樣。W.湯姆生這樣評價道：“在法拉第的許多貢獻中，最偉大的一個就是力線概念了，我想借助它就可以把電場和磁場的許多性質以最簡單而極富啟發性地表示出來”。
等量異種電荷的電場線
條形磁鐵周圍的磁感線
法拉第的力線思想實際上就是場的觀念，場觀念是牛頓時代以來在物理學概念、基礎理論方面最重要的變革，它打破了當時傳統的超距作用的觀念，把近距媒介作用的觀念引進了物理學，對於電磁學及整個物理學的發展都產生了深遠的影響。
麥克斯韋電磁場理論的建立
由於數學的確定性、抽象性、廣泛性、簡潔性和預見性，使得用數學語言精確表述創造性科學思想、深刻揭示自然規律，是科學發展的要求，也是科學成熟的重要標誌。那麼，能不能把這種形象的“力線”數學化，精確地、定量地描述場的特性呢？
在法拉第力線思想的激勵下，W.湯姆孫對電磁作用的規律進行了有益的研究。他運用類比方法，類比熱傳導、流體力學現象，把法拉第的力線思想轉變為定量的表述，初步形成了電磁作用的統一理論。
開爾文（Lord Kelvin 1824～1907），原名W.湯姆孫，英國物理學家、發明家。
時代的發展需要一位既能繼承前人深邃的思想、又富有獨創精神，既有鮮明的物理洞察力、又非常精通數學的科學巨匠，他就是麥克斯韋。1831年，法拉第發現電磁感應現象的同年，麥克斯韋降生。他從小就表現出對事物強烈的好奇心，讀中學時對數學有著濃厚的興趣。15歲時，就在當時英國最高學術機構的會刊——《愛丁堡皇家學會會刊》上發表了第一篇關於繪製橢圓形線帶的科學論文。1847年秋中學畢業後，他進入愛丁堡大學攻讀數學和物理學。1950年，19歲的麥克斯韋轉入劍橋大學。當時著名的數學家威廉·霍普金斯盛讚麥克斯韋是他所教過的學生中最出色的一個。
麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879）英國物理學家、數學家。經典電動力學的創始人，統計物理學的奠基人之一。
大學畢業後，麥克斯韋留校工作。1854年，麥克斯韋從讀法拉第的《電學的實驗研究》開始，對電磁學產生了濃厚的興趣，並以他犀利的目光看出了法拉第的“場”和“力線”思想的真實意義，立志用數學的語言精確描述法拉第的場合力線的概念。他面對眾說紛紜的電磁理論，以深邃的洞察力開創了物理學的新領域。然而，他也不是一蹴而就的，他在創建電磁理論的奮鬥中前後歷程達十餘年，可以劃分為如下幾個階段：
第一階段
1855年麥克斯韋發表的論文《論法拉第力線》。他借鑑W.湯姆孫的類比思想，把電場、磁場與流速場類比，把電場強度、磁場強度比作流速，把電力線、磁力線比作流線。從而可以把流體力學中的數學工具移植過來，採用通量、環流、散度、旋度等具有明確定義的量，來定量地描述抽象的電場、磁場在空間的變化情況。就這樣，在麥克斯韋手中，深奧的力線、場思想神奇般地用數學語言描述出來了，為法拉第的物理思想做了細緻的數學“翻譯”，使之定量化、精確化。
1860年秋天，29歲的麥克斯韋帶著《論法拉第的力線》這篇論文，登門拜訪年近七旬的法拉第。法拉第盛讚麥克斯韋：“我驚訝地看到，這個主題居然處理得如此之好”，“我並不認為自己的學說一定是真理，但你是真正理解它的人”，“你不應該侷限於借用數學來解釋我的見解，而應該突破它。”法拉第的話，像一盞明燈，照亮了麥克斯韋前進的道路，使他進一步領悟到，不僅要用數學的方法去解釋法拉第的學說，還應該用數學去突破和超越前輩的成就。麥克斯韋立志採用一種統一的方法，按照一種統一的思想彙總過去的電磁學研究，並給法拉第、庫侖、奧斯特、安培、高斯等有關電磁學的成果以理論的解釋和數學的表達。
第二階段
1862年麥克斯韋發表論文《論物理力線》。他注意到電磁現象與流體力學現象的差別，於是轉向運用模型來建立假說。他擴充了電場、電流概念，獨到地提出了渦旋電場、位移電流兩個新觀點。從而改寫了電磁感應定律，修正了磁場環路定理，在電磁理論研究上取得了關鍵性的突破。變化的磁場激發電場，變化的電場激發磁場，如此交替激發下去，交變的電磁場就會以波的形式向空間散佈開去。麥克斯韋並用理論推出電磁波的傳播速度值為310740千米/秒，與當時所測的光速相符甚好。於是，麥克斯韋在論文中用斜體字寫道：“我們難以排除如下的推論：光是由引起電現象和磁現象的同一介質中的橫波組成的。”
第三階段
1865年麥克斯韋正式發表了第三篇關於電磁場理論的論文《電磁場的動力學理論》。文中沒有具體地設想和仔細地描述電磁作用的機制，而是直接根據電磁學實驗和普遍原理，給出了電磁場的普遍方程組——麥克斯韋方程組。
1873年麥克斯韋的具有劃時代意義的專著《電磁學通論》出版。書中全而系統地總結了前人有關電磁現象的研究，特別是法拉第的研究成果和關於力線與場的思想，創造性地推導出了全面發映電磁規律的麥克斯韋方程組，預言了電磁波的存在並闡明瞭它的本質；創立了電磁波的傳輸模型；提出了光的電磁理論。這部鉅著的重要意義堪與牛頓的《自然哲學的數學原理》相提並論。
麥克斯韋生在電磁學已經打好基礎的年代，他沒有辜負時代的要求，及時總結了已有的成就，他受到法拉第力線思想的鼓舞，又得到W.湯姆孫類比研究的啟發，甩掉一切機械論點，把電磁場作為客體擺在電磁理論的核心地位，從而開創了物理學又一個新的起點。他在電磁理論方面的工作可以和牛頓在力學理論方面的工作想媲美。恩斯坦對他作了很高的評價，“自從牛頓奠定理論物理學的基礎以來，物理學的公理基礎的最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯韋在電磁現象方面的工作所引起的”。麥克斯韋不愧為牛頓之後又一位劃時代的傑出物理學家。
電磁場理論的實驗證實
麥克斯韋的電磁場理論把電、磁和光三個領域綜合到了一起，具有劃時代意義。遺憾的是，麥克斯韋英年早逝，他沒有見到科學實驗對其電磁場理論的證明。把天才的預言變成世人公認的事實，是德國物理學家赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）的功勞。當1888年赫茲用實驗證實了電磁波的存在，麥克斯韋已於九年前去世了。
赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）德國物理學家。通過實驗發現了電磁波。
1879年，柏林科學院設獎徵求電磁波存在的實驗證據，促使了年輕的赫茲萌發進行電磁波實驗的雄心壯志。赫茲實驗的原理如圖所示。他把兩根帶有金屬球的金屬桿③接在感應圈①上。在兩個金屬球之間留有一個間隙。感應圈感應出的高電壓可以使金屬球間隙中的空氣電離而導電，在兩球之間產生火花放電。赫茲使用的接收器是一個金屬環，在斷開處也有兩個金屬球，中間也有間隙。把這個接收器放在離發射裝置有一定距離的地方，赫茲看到，當發射裝置的金屬球間有火花跳動時，幾乎同時在接收器的金屬球之間也有火花跳動。這個現象只能用電磁波來解釋，發射裝置中產生的電磁波傳到金屬圓環處時，電磁波的電磁場使金屬環發生感應而在兩個金屬球之間產生電壓，這個電壓足夠高時，能使兩球之間發生火花放電。
赫茲實驗裝置及示意圖
赫茲不但用實驗證實了電磁波的存在，還做了一系列的實驗，證明電磁波和光波一樣，能發生反射、折射、干涉、衍射等現象，並測出了電磁波的傳播速度正是光速。赫茲實驗不僅證實了麥克斯韋的電磁場理論，更為其後的無線電報、無線電廣播、電視和雷達等無線電技術的發展奠定了實驗基礎、開闢了道路。為了紀念他，後人把頻率的單位定為赫茲。
從電磁場理論的建立過程，我們領會到壯偉的物理大廈是怎樣一層一層地修築起來的。法拉第等給它打了堅實的地基，麥克斯韋在上面建造了高樓，赫茲給這座大廈封了頂。法拉第——麥克斯韋——赫茲的名字，永遠和電磁理論連在一起，光照人間。
電磁場理論建立過程蘊含的物理思想
電磁場理論建立過程中有著豐富的物理思想。
1.類比思想
類比方法的客觀基礎是自然界存在著某些共性。類比研究在於尋找和揭示不同事物在一定範圍內所具有的形式上的相似性，這常常會帶來重大的發現和突破。德國哲學家黑格爾（G.F.W.Hegel）曾給類比方法以極高的評價：“類比的方法應在經驗科學中佔很高的地位，而且科學家也曾按照這種推論方法獲得很重要的結果。”除了上文中提到的W.湯姆孫和麥克斯韋堪稱應用類比方法的典範外，科學史上許多重大的發現和發明創造常常得益於這種思維方法的高度發揮。
庫侖將點電荷間的相互作用與兩質點間的作用相類比，得出作用規律，並用他設計的巧妙的實驗進行驗證，從而得到庫侖定律。
歐姆電的傳導與熱的傳導相類比，參照傅立葉公式，並通過實驗證實，得到歐姆定律。
惠更斯將光與聲音相類比，得出光是一種波。德布羅意將粒子與光子相類比，提出了物質波思想，為量子力學的建立作出了傑出的貢獻。
湯川秀樹通過與電磁力的類比，於1935年勇敢地提出了核力的介子假設。
諸如此類的例子不勝枚舉。對於類比方法的重要性，德國的另一位哲學大家康德曾說：“每當理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往指引我們前進”
2.對稱思想
物理學中有多種守恆定律存在，守恆來源於自然界的對稱性。某些物理學家在創立物理理論及其數學結構時，在方法上追求完美的對稱性，以揭示自然界對稱性的奧祕。
運動電荷磁效應（電生磁）發現後，法拉第堅信電磁對稱，從事電磁感應的實驗研究，發現了變化磁場產生電場（磁生電）。電磁感應定律發現後，麥克斯韋堅信電磁對稱，提出了變化電場產生磁場的假設。
麥克斯韋方程組全面、系統、簡潔地概括了電磁運動規律，但物理學家赫茲認為方程組過於複雜。為了用最簡潔的數學形式表達出來，他對麥克斯韋方程做了簡化。後來，又經過眾多科學家的不懈努力和堅持探索，終於完成了對麥克斯韋方程組進行了簡化和整理，給出了方程組的最簡單的微分對偶形式，建立起在形式上具有完美的對稱性的、簡潔的麥克斯韋方程組。
麥克斯韋方程組用像音符一樣美妙而簡明的數學矢量微分方程，確定了電荷、電流、電場和磁場之間的關係，把表面上看起來毫不相關的電磁和光現象統一在同一個規律中：變化的電場激發變化的磁場，變化的磁場激發變化的電場。這種相互變化的電場和磁場構成了電磁波，而光只是一種頻率特定的電磁波，光、電、磁在本質上是一致的。麥克斯韋方程組形成了電磁場理論嚴密的邏輯體系，達到了經典電磁理論研究的最高境界，建立起一個簡單、和諧、對稱的電磁場的力學理論，在美學上既體現了其簡單性：光、電、磁的統一，又體現了完美的對稱性和統一性：電場和磁場的對稱性和統一性，時間和空間的對稱性和統一性。
對稱性原理具有真和美兩方面的價值，在現代物理學中起著重要的作用。對稱本身具有明顯的美學品格。狄拉克甚至認為，讓方程中具有美感比它符合實驗更重要；一個人若從尋找他的方程的優美這種觀點出發，而且他確實具有深刻洞察力，那麼，他必然就是在一條可靠的發展路線上。狄拉克遵循他本能提供的通向美的嚮導而前進，獲得了深刻的真理，即使這種真理與實驗相矛盾。他的反物質理論就是沿著這條路線得到的。
3.統一思想
自然界的和諧統一必然導致物理規律的統一性。科學的發展史，可以說就是一步一步從小範圍統一逐漸發展到大範圍統一的歷史。
運動電荷磁效應的發現，第一次揭示了電與磁的統一。電磁感應的發現和位移電流假設的提出，更深地把電與磁的相互轉化統一了起來。電磁場理論的建立和電磁波的實驗證實，把電學、磁學和光學統一了起來。
物理學理論的發展經歷了幾次大的綜合統一。
17世紀，伽利略研究地面上物體的運動，打開了通向近代物理學的大門。牛頓“站在巨人們的肩膀上”，把地面上物體的運動和天體運動統一起來，揭示了天上地下一切物體的普遍運動規律，建立了經典力學體系，實現了物理學史上第一次大綜合。
18世紀，經過邁爾、焦耳、卡諾、克勞修斯等人的研究，經典熱力學和經典統計力學正式確立，從而把熱與能、熱運動的宏觀表現與微觀機制統一起來，實現了物理學史上的第二次大綜合。
19世紀，麥克斯韋在庫侖、安培、法拉第等物理學家研究的基礎上，經過深入研究，把電、磁、光統一起來，建立了經典電磁理論，預言了電磁波的存在，實現了物理學史上第三次大綜合。
至此，經典力學、經典統計力學和經典電磁理論形成了一個完整的經典物理學體系，一座金碧輝煌的物理學大廈巍然聳立。
20世紀，愛恩斯坦相對論統一了力學運動和電磁運動，把時間、空間、物質、運動統一了起來，說明了質量守恆與能量守恆的統一性；量子理論實現了波粒二象性的統一；弱電統一理論實現了電磁作用與弱相互作用的統一。現在物理學家正在追求大統一理論，以期實現四種相互作用理論的和諧統一。