宇宙之間的電磁現(xiàn)象，

可以從這個(gè)方程中解釋。

——節(jié)選自《人類最美的54個(gè)公式》

實(shí)驗(yàn)室里，鴉雀無(wú)聲。

赫茲正全神貫注地盯著兩個(gè)相對(duì)的銅球，下一秒他合上了電路開(kāi)關(guān)。

頓時(shí)，電的魔力開(kāi)始在這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)里展現(xiàn)出來(lái)，無(wú)形的電流穿過(guò)裝置里的感應(yīng)線圈，開(kāi)始對(duì)發(fā)生器的銅球電容進(jìn)行充電。隨著“啪”的一聲，赫茲的心仿佛被提到了嗓子眼，發(fā)生器上已經(jīng)產(chǎn)生了火花放電，接收器又是否會(huì)同時(shí)感應(yīng)生出美麗的火花？

赫茲的手心早已出汗，真的有一種看不見(jiàn)、摸不著、玄而又玄的電磁波嗎？

歷史性的時(shí)刻終于到來(lái)——

瞬間，一束微弱的火花在接收器的兩個(gè)小球間一躍而過(guò)！

赫茲激動(dòng)地蹦了起來(lái)，是的，他勝利了！麥克斯韋的理論也勝利了！電磁波的確真真實(shí)實(shí)地存在于空間之中，正是它激發(fā)了接收器上的電火花。

萬(wàn)有引力般的超距作用力

很久以前，人類就對(duì)靜電和靜磁現(xiàn)象有所發(fā)現(xiàn)，但在漫長(zhǎng)歷史歲月里，兩者井水不犯河水。

由于摩擦起電，在古希臘及地中海區(qū)域的古老文化里，早有文字記載，將琥珀棒與貓毛摩擦后，會(huì)吸引羽毛一類的物質(zhì)，“電”的英文語(yǔ)源更是來(lái)自于希臘文“琥珀”一詞。

而關(guān)于磁，中國(guó)是對(duì)磁現(xiàn)象認(rèn)識(shí)最早的國(guó)家之一。公元前4世紀(jì)左右成書(shū)的《管子》中就有：“上有慈石者，其下有銅金?！边@是對(duì)磁的最早記載。其他古籍如《山海經(jīng)》、《呂氏春秋》中也可以找到一些磁石吸鐵現(xiàn)象的記載。

發(fā)現(xiàn)電與磁之間有著某些相似規(guī)律，則要追溯到物理學(xué)家?guī)靵龅男⌒∫靶摹?785年，作為牛頓的忠實(shí)追隨者，庫(kù)侖正在試圖變得比牛頓本人“更牛頓”，把萬(wàn)有引力的套路應(yīng)用到靜電學(xué)中，如同星球間發(fā)生萬(wàn)有引力的作用，兩個(gè)帶電球之間的作用力是否也同樣遵循著平方反比律？為此，他精心設(shè)計(jì)了一個(gè)扭秤實(shí)驗(yàn)，如圖9-1所示，在細(xì)銀絲下懸掛一根秤桿，秤桿掛有一個(gè)平衡小球B和一個(gè)帶電小球A，在A旁還有一個(gè)和它一樣大小的帶電小球C。

A球和C球之間的靜電力會(huì)使得懸絲扭轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)懸絲上端的懸鈕，進(jìn)而使小球回到原來(lái)位置。在這個(gè)過(guò)程中，可通過(guò)記錄扭轉(zhuǎn)角度、秤桿長(zhǎng)度的變化，計(jì)算得知帶電體A、C之間的靜電力大小。

圖9-1 庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果正如庫(kù)侖所料，靜電力與電荷電量成正比，與距離的平方反比關(guān)系。這一規(guī)律后來(lái)被總結(jié)為“庫(kù)侖定律”。既然庫(kù)侖定律與萬(wàn)有引力之間存在著這樣驚奇地相似之處，那么，是否在磁的世界里也存在同樣的情況？隨后，庫(kù)侖對(duì)磁極進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，再次證明：同樣的定律也適用于磁極之間的相互作用。這就是經(jīng)典磁學(xué)理論。

庫(kù)侖發(fā)現(xiàn)了磁力和電力一樣遵守平方反比律，卻并沒(méi)有進(jìn)一步推測(cè)兩者的內(nèi)在聯(lián)系。和當(dāng)時(shí)大多數(shù)數(shù)學(xué)物理學(xué)家一樣，他相信物理中的“能量、熱、電、光、磁”甚至化學(xué)中所有的力都可描述成像萬(wàn)有引力般的超距作用力，而力的強(qiáng)度取決于距離。只要再努力找到幾條力學(xué)定律，那整個(gè)物理理論就能完整了！

庫(kù)侖這種天真的想法很快就被迅速打臉，萬(wàn)有引力般的超距作用顯然沒(méi)有那么強(qiáng)大，但是庫(kù)侖定律的提出還是為整個(gè)電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

終成眷屬的電與磁

最先發(fā)現(xiàn)電和磁之間聯(lián)系的，是丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特。

1820年的奧斯特，是哥本哈根大學(xué)一位頗有魅力的教授，從不照本宣科，凡事只講究實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，所以一上課常二話不說(shuō)就帶著學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也很少翹課。有一天，他意外地在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)線通電流時(shí)，下方的小磁針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。

這一驚人的發(fā)現(xiàn)，首次將電學(xué)和磁學(xué)結(jié)合了起來(lái)。從此，電磁學(xué)蓬勃發(fā)展，有眼力的年輕人紛紛轉(zhuǎn)行投身其中進(jìn)行深入研究，這當(dāng)中就包括數(shù)學(xué)神童——安培。

當(dāng)安培得知奧斯特發(fā)現(xiàn)電和磁的關(guān)系時(shí)，他立馬放棄了自己小有成就的數(shù)學(xué)研究，進(jìn)軍物理學(xué)領(lǐng)域，并以其野獸般的敏銳直覺(jué)，提出了我們廣為熟知的右手螺旋定則，用來(lái)判斷磁場(chǎng)方向，如圖9-2所示，大拇指的方向?yàn)殡娏鞣较颍闹傅睦@向?yàn)榇艌?chǎng)方向。

圖9-2 安培右手螺旋定則

在實(shí)驗(yàn)中，安培發(fā)現(xiàn)不僅通電導(dǎo)線對(duì)磁針有作用，而且兩根平行通電導(dǎo)線之間也有作用，同向電流相互吸引，反向電流相互排斥。

數(shù)理本一家，在通往物理的康莊大道上，安培沒(méi)有忘本，反而利用了老本行的優(yōu)勢(shì)，將電磁學(xué)研究真正數(shù)學(xué)化。他在1826年直接推導(dǎo)得到了著名的安培環(huán)路定理，用來(lái)計(jì)算任意幾何形狀的通電導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，這一定理后來(lái)成為了麥克斯韋方程組的基本方程之一。

安培也由此成為了電磁學(xué)史上不容或缺的人物，被麥克斯韋譽(yù)為“電學(xué)中的牛頓”。

法拉第：

麥克斯韋背后的男人

1860年，麥克斯韋見(jiàn)到了他生命中最重要的男人：法拉第。

法拉弟喚醒了麥克斯韋方程組中除了安培環(huán)路定理之外的另一個(gè)基本方程，是麥克斯韋成功邁向電磁學(xué)巔峰的背后的男人。

家境貧寒的法拉第，童年是在曼徹斯特廣場(chǎng)和查里斯大街度過(guò)的。年幼的他曾在書(shū)店當(dāng)裝訂工，憑著一腔孤勇的科學(xué)欲望，他毛遂自薦成為了英國(guó)皇家學(xué)院“電解狂魔”戴維的助手，從此與電磁學(xué)結(jié)下不解之緣。

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了磁與電之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化關(guān)系。只要穿過(guò)閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，如圖9-3所示。這種利用磁場(chǎng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象被稱為電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流。

圖9-3 電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)

但這些觀察結(jié)果還只屬于零碎的作用證據(jù)，電流的實(shí)質(zhì)是什么？通電線圈如何在沒(méi)有直接接觸時(shí)作用于磁鐵？運(yùn)動(dòng)的磁鐵如何產(chǎn)生電流？那時(shí)，并沒(méi)有人能夠以系統(tǒng)或綜合的方式來(lái)真正理解它們。

大多數(shù)人還沉迷于用超距力理論來(lái)對(duì)電和磁的現(xiàn)象做出解釋。而法拉第卻播下了一顆與眾不同的思維火種，他以自己的慧眼看到了力線在整個(gè)空間里穿行，如圖9-4，這實(shí)際是否認(rèn)了超距作用的存在。他還設(shè)想了磁鐵周圍存在一種神秘且不可見(jiàn)的“電緊張態(tài)”，即我們今天所稱之為的“磁場(chǎng)”。他斷定電緊張態(tài)的變化是導(dǎo)致電磁現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，甚至猜測(cè)光本身也是一種電磁波。

圖9-4 法拉第力線示意圖

不過(guò)，將這些想法打造成為完整的理論超出了他的數(shù)學(xué)能力，只讀了兩年小學(xué)的法拉第，數(shù)學(xué)水平還停留在只知道一些代數(shù)和三角函數(shù)上?；蛟S，一個(gè)不懂?dāng)?shù)學(xué)，另一個(gè)卻精通數(shù)學(xué)，這正為法拉第和麥克斯韋的一見(jiàn)如故埋下了伏筆。

法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)這一年，恰逢麥克斯韋誕生。

整整40歲的年齡差，可麥克斯韋在讀到法拉第《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》一書(shū)時(shí)，還是輕易地就被法拉第的魅力吸引。數(shù)理功底扎實(shí)的他，決定用數(shù)學(xué)定量表述法拉第的電磁理論。

1855年麥克斯韋發(fā)表了第一篇電磁學(xué)論文《論法拉第的力線》，通過(guò)數(shù)學(xué)方法，他把電流周圍存在磁力線的特征，概括為一個(gè)矢量微分方程，導(dǎo)出了法拉第的結(jié)論。而在這一年，法拉第告老退休，看到論文時(shí)大喜過(guò)望，立刻尋找這個(gè)年輕人，可是麥克斯韋卻杳如黃鶴，不見(jiàn)蹤影。

直到5年后，孤獨(dú)的法拉第在1860年終于等來(lái)了麥克斯韋，看著眼前這個(gè)不善言辭卻老實(shí)誠(chéng)懇的年輕小伙，法拉第面露喜色，語(yǔ)重心長(zhǎng)地囑咐：“你不應(yīng)停留于用數(shù)學(xué)來(lái)解釋我的觀點(diǎn)，而應(yīng)該突破它！”聽(tīng)了這句話，麥克斯韋雖表面波瀾不驚，內(nèi)心卻洶涌澎湃，他開(kāi)始全力進(jìn)攻電磁學(xué)。

1862年麥克斯韋發(fā)表了第二篇電磁學(xué)論文《論物理力線》，這不再是簡(jiǎn)單地將法拉第理論進(jìn)行數(shù)學(xué)翻譯，這一次他首創(chuàng)“位移電流”概念，預(yù)見(jiàn)了電磁波的存在。兩年后他發(fā)表第三篇論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》，在這篇論文里，他完成了法拉第晚年的愿望，驗(yàn)證了光也是一種電磁波。

最后，麥克斯韋在1873年出版了他的電磁學(xué)專著《電磁學(xué)通論》。

這是電磁學(xué)發(fā)展史上一個(gè)劃時(shí)代的里程碑。在這部著作里，麥克斯韋總結(jié)了前輩們各大定律，以他特有的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，建立了電磁學(xué)的微分方程組，揭示了電荷、電流、電場(chǎng)、磁場(chǎng)之間的普遍聯(lián)系。這個(gè)電磁學(xué)方程，就是后來(lái)以他的名字著稱的“麥克斯韋方程組”。

世上最偉大的公式

麥克斯韋方程組

花開(kāi)兩朵，各表一枝。以電磁的藍(lán)色火花幻化成的4個(gè)完美無(wú)缺的公式，共有積分和微分兩種綻放形式。

以積分為對(duì)象，我們來(lái)解讀一番麥克斯韋方程組專屬數(shù)學(xué)語(yǔ)言背后的含義。

（1）電場(chǎng)的高斯定律：

第一個(gè)式子

是高斯定律在靜電場(chǎng)的表達(dá)式，其中S是曲面積分的運(yùn)算曲面，E是電場(chǎng)，ds是閉合曲面上的微分面積，

是真空電容率（絕對(duì)介電常數(shù)），Q是曲面所包含的總電荷。它表示，穿過(guò)某一封閉合曲面的電通量與閉合曲面所包圍的電荷量Q成正比，系數(shù)是

。

在靜電場(chǎng)中，由于自然界中存在著獨(dú)立的電荷，電場(chǎng)線有起點(diǎn)和終點(diǎn)，始于正電荷，終止于負(fù)電荷，如圖9-5所示。只要閉合面內(nèi)有凈余電荷，穿過(guò)閉合面的電通量就不等于零。計(jì)算穿過(guò)某給定閉合曲面的電場(chǎng)線數(shù)量，即其電通量，可以得知包含在這閉合曲面內(nèi)的總電荷。

圖9-5 靜電場(chǎng)電荷

高斯定理反映了靜電場(chǎng)是有源場(chǎng)這一特性，即它描述了電場(chǎng)的性質(zhì)。

（2）磁場(chǎng)的高斯定律：

第二個(gè)式子

是高斯磁定律的表達(dá)式。其中，S、ds物理意義同上，B是磁場(chǎng)，它表示磁場(chǎng)B在閉合曲面上的磁通量等于0，磁場(chǎng)里沒(méi)有像電荷一樣的磁荷存在。

在磁場(chǎng)中，由于自然界中沒(méi)有磁單極子存在，N極和S極是不能分離的，磁感線都是無(wú)頭無(wú)尾的閉合線，如圖9-6所示，所以通過(guò)任何閉合面的磁通量必等于零，即磁場(chǎng)是無(wú)源場(chǎng)。

圖9-6 磁場(chǎng)與磁感線

這一定律和電場(chǎng)的高斯定律類似，它論述了磁單極子是不存在的，描述了磁場(chǎng)性質(zhì)。

（3）法拉第定律：

第三個(gè)式子

是法拉第電磁感應(yīng)定律的表達(dá)式。這個(gè)定律最初是一條基于觀察的實(shí)驗(yàn)定律，通俗來(lái)說(shuō)就是“磁生電”，它將電動(dòng)勢(shì)與通過(guò)電路的磁通量聯(lián)系了起來(lái)，如圖9-7所示。

圖9-7 電磁感應(yīng)

在此式中，L是路徑積分的運(yùn)算路徑，E是電場(chǎng)，dl是閉合曲線上的微分，

代表穿過(guò)閉合路徑L所包圍的曲面S的磁通量（計(jì)算如式二左邊），

表示磁通量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。

它表示電場(chǎng)E在閉合曲線上的環(huán)量，等于磁場(chǎng)B 在該曲線包圍的曲面S上通量的變化率，即閉合線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與通過(guò)該線圈內(nèi)部的磁通量變化率成正比，系數(shù)是-1。

這一定律反映了磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生電場(chǎng)的，即它描述了變化的磁場(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)的規(guī)律。按照這一規(guī)律，當(dāng)磁場(chǎng)隨時(shí)間而變化時(shí)可以感應(yīng)激發(fā)出一個(gè)圍繞磁場(chǎng)的電場(chǎng)。

（4）麥克斯韋—安培定律：

第四個(gè)式子

是麥克斯韋將安培環(huán)路定理推廣后的全電流定律。

其中，左邊L、B、dl物理意義同上，分別是路徑積分的運(yùn)算路徑、磁場(chǎng)、閉合曲線上的微分。右邊

是磁常數(shù)，Ι是穿過(guò)閉合路徑L所包圍的曲面的總電流，

是絕對(duì)介電常數(shù)，

是穿過(guò)閉合路徑L所包圍的曲面的電通量（計(jì)算如式一左邊），

表示電通量對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，也即變化率。

它表示，磁場(chǎng)B在閉合曲線上的環(huán)量，等于該曲線包圍的曲面S里的電流Ι（系數(shù)是磁常數(shù)），加上電場(chǎng)E在該曲線包圍的曲面S上的通量的變化率（系數(shù)是

）。

原安培環(huán)路定律是一系列電磁定律，它總結(jié)了電流在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖9-8所示。安培定律表明，電流可以激發(fā)磁場(chǎng)，但它只限用于穩(wěn)恒磁場(chǎng)。

圖9-8 安培環(huán)路定理

因此，麥克斯韋將安培環(huán)路定理推廣，提出一種“位移電流”假設(shè)，得出一般形式下的安培環(huán)路定律，揭示出磁場(chǎng)可以由傳導(dǎo)電流激發(fā)，也可以由變化電場(chǎng)的位移電流所激發(fā)。

傳導(dǎo)電流和位移電流合在一起，稱為全電流，這就是麥克斯韋—安培定律。

這一定律反映了電場(chǎng)是如何產(chǎn)生磁場(chǎng)的，即描述了變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)的規(guī)律。這一規(guī)律和法拉第電磁感應(yīng)定律相反：當(dāng)電場(chǎng)隨時(shí)間變化時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)一個(gè)圍繞電場(chǎng)的磁場(chǎng)。

一言以蔽之，這一組積分方程由4個(gè)式子組成，其中2個(gè)關(guān)于電場(chǎng)、2個(gè)關(guān)于磁場(chǎng)，一起反映了空間某區(qū)域的電磁場(chǎng)量（E、B）和場(chǎng)源（電荷q、電流I）之間的關(guān)系。

從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，積分和微分互為逆運(yùn)算。

因此，如果將這一組積分方程進(jìn)行轉(zhuǎn)化，就可以得出一組如下的微分方程，兩者數(shù)學(xué)形式不同，但物理意義是等價(jià)一致的，在實(shí)際應(yīng)用中，微分形式會(huì)出現(xiàn)得頻繁些。

它們表明，電場(chǎng)和磁場(chǎng)彼此不是孤立的，變化的磁場(chǎng)可以激發(fā)渦旋電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)可以激發(fā)渦旋磁場(chǎng)，它們永遠(yuǎn)密切地聯(lián)系在一起，相互激發(fā)，組成一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)的整體。

這就是麥克斯韋方程組的基本概念，也是電磁學(xué)的核心思想。

英國(guó)科學(xué)期刊《物理世界》曾讓讀者投票評(píng)選了“最偉大的公式”，最終榜上有名的十個(gè)公式里，有著名的E=mc²、復(fù)雜的傅立葉變換、簡(jiǎn)潔的歐拉公式……但“麥克斯韋方程組”排名第一，成為“世上最偉大的公式”。

或許，并不是每個(gè)人都能看懂這個(gè)公式，但任何一個(gè)能把這幾個(gè)公式看懂的人，都一定會(huì)感到背后有股涼風(fēng)。雖然自然界冥冥之中自有感應(yīng)，但怎么有人能解釋如此完美的方程？

這組公式融合了電的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律，完美地揭示了電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互轉(zhuǎn)化中產(chǎn)生的對(duì)稱性優(yōu)美，統(tǒng)一了整個(gè)電磁場(chǎng)。比較謙虛的評(píng)價(jià)是：“一般地，宇宙間任何的電磁現(xiàn)象，皆可由此方程組解釋?！?/p>

光電磁一統(tǒng)江湖

與后世獲得如此盛譽(yù)相反的是，麥克斯韋方程組首次亮相時(shí)，其實(shí)幾乎無(wú)人問(wèn)津。

麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，并從方程組中推測(cè)出光是一種電磁波。這些想法驚世駭俗，但當(dāng)時(shí)大多數(shù)人并不買(mǎi)賬。人們對(duì)于這個(gè)尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的理論懷疑甚深，世界上只有少數(shù)科學(xué)家愿意接受這個(gè)理論并給予支持，赫茲就是其中一位。

他是第一個(gè)研究驗(yàn)證麥克斯韋觀點(diǎn)的人，盡管他與麥克斯韋素未謀面，卻對(duì)這位前輩的理論深信不疑，并自1886年起就孜孜不倦地地投入到尋找電磁波的研究之中。

赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置極為簡(jiǎn)單，主要是由他設(shè)計(jì)的電磁波發(fā)射器和探測(cè)器組成，但這拉開(kāi)了無(wú)線電運(yùn)用的序幕，成為了后來(lái)無(wú)線電發(fā)射器和接收器的開(kāi)端。如圖9-9所示，兩塊鋅板，每塊都連著一根端上裝著銅球的銅棒，兩個(gè)銅球離得很近。兩根銅棒分別與高壓感應(yīng)圈的兩個(gè)電極相連，這就是電磁波發(fā)生器。在離發(fā)生器10米遠(yuǎn)的地方放著電磁波探測(cè)器，那是一個(gè)彎成環(huán)狀、兩端裝有銅球的銅棒，兩個(gè)銅球間的距離可用螺旋調(diào)節(jié)。

圖9-9 赫茲實(shí)驗(yàn)示意圖

如果麥克斯韋是對(duì)的話，那么合上電源開(kāi)關(guān)時(shí)，發(fā)射器的兩個(gè)銅球之間就會(huì)閃出耀眼的火花，產(chǎn)生一個(gè)振蕩的電場(chǎng)，同時(shí)引發(fā)一個(gè)向外傳播的電磁波，在空中飛越穿行，到達(dá)接收器，在那里感生一個(gè)振蕩的電動(dòng)勢(shì)，從而在接收器的開(kāi)口處也同樣激發(fā)出電火花來(lái)。

實(shí)驗(yàn)室里，赫茲把門(mén)窗遮得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，不讓一絲光線射進(jìn)來(lái)。他再一次緊張地調(diào)節(jié)著探測(cè)器的螺絲，讓兩個(gè)銅球越靠越近。突然，兩個(gè)銅球的空隙也跳躍著微弱的電火花，一次，兩次，三次，他的眼睛沒(méi)有看錯(cuò)，這就是電磁波！兩年來(lái)，歷經(jīng)千百次探究，赫茲終于成功用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在。此后，再也沒(méi)有人懷疑麥克斯韋的理論。

比這個(gè)更值得欣喜的是，1888年的初春，赫茲通過(guò)其他實(shí)驗(yàn)證明了光是一種電磁現(xiàn)象，可見(jiàn)光僅僅只是電磁波的一種。

在麥克斯韋年代尚屬完全未知的不可見(jiàn)光，經(jīng)赫茲的開(kāi)拓性研究帶來(lái)了無(wú)線電波后，不可見(jiàn)光在后世可是發(fā)揮了巨大威力，演化成了現(xiàn)代科技的源泉。正如赫茲所感慨的：“麥克斯韋方程組遠(yuǎn)比它的發(fā)現(xiàn)者還要聰明。”

以后人的角度來(lái)看，這組方程的最大貢獻(xiàn)在于明確解釋了電磁波怎樣在空間傳播。

根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)會(huì)生成電場(chǎng)；根據(jù)麥克斯韋-安培定律，變化的電場(chǎng)生又成了磁場(chǎng)，正是這不停的循環(huán)使得電磁波能夠自我傳播，如圖9-10所示。

圖9-10 電磁波

但這種對(duì)物質(zhì)世界的新描繪，打破了當(dāng)時(shí)固有的思維，引起一片嘩然。

光的本性是什么？究竟粒子還是波？有關(guān)這一問(wèn)題，人類已喋喋不休地爭(zhēng)論了幾個(gè)世紀(jì)。第一次波粒大戰(zhàn)發(fā)生在17世紀(jì)，牛頓以“光的色散實(shí)驗(yàn)”直搗胡克站臺(tái)的波動(dòng)說(shuō)，那時(shí)，胡克已垂垂老矣，禁不起再三折騰，于是，波動(dòng)說(shuō)就這樣被牛頓打入冷宮100多年。

直到托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，才吹響了第二次波粒戰(zhàn)爭(zhēng)的號(hào)角，波動(dòng)說(shuō)臥薪嘗膽多年也終于找到了絕地反擊的機(jī)會(huì)。尤其在麥克斯韋預(yù)言“光是一種波”以及這一預(yù)言為赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)后，波動(dòng)說(shuō)更是意氣風(fēng)發(fā)，把微粒說(shuō)弄得灰頭土臉。

當(dāng)時(shí)，麥克斯韋提出：電可以變成磁，磁可以變成電，電和磁的這種相互轉(zhuǎn)化和震蕩不就是一種波嗎？電磁場(chǎng)的振蕩是周期存在的，這種振蕩叫電磁波，一旦發(fā)出就會(huì)通過(guò)空間向外傳播。但更神奇的是，當(dāng)他用方程計(jì)算電磁波的傳播速度時(shí)，結(jié)果接近300000公里/秒，恰與光的傳播速度一致。這顯然不只是個(gè)巧合。

電磁擾動(dòng)就是光，光在本質(zhì)上不過(guò)是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的擾動(dòng)。

借助麥克斯韋的這一睿智洞察和后來(lái)赫茲鐵證如山的驗(yàn)證，人類成功地在認(rèn)識(shí)光的本性上跨越了一大步。波動(dòng)說(shuō)也開(kāi)始開(kāi)疆?dāng)U土，太陽(yáng)光不過(guò)只是電磁波的一種可見(jiàn)的輻射形態(tài)。不限于普通光線，我們可以向不可見(jiàn)光進(jìn)軍，從無(wú)線電波到微波，從紅外線到紫外線，從X射線到Y(jié)射線……將這些電磁波按照波長(zhǎng)或頻率的順序排列起來(lái)，就形成了電磁波譜。

而后，無(wú)線電波用于通信、微波用于微波爐、紅外線用于遙控、紫外線用于醫(yī)用消毒……這些不同形式的“光”逐漸組成了現(xiàn)代科技的根基。因此可以說(shuō)，如果沒(méi)有麥克斯韋，收音機(jī)、電視、雷達(dá)、電腦等有關(guān)電磁波的東西都將不復(fù)存在。

一統(tǒng)光電磁，完成了科學(xué)史上第二次偉大的綜合之后，麥克斯韋于1879年溘然長(zhǎng)逝。也就在這年，一個(gè)嬰兒誕生了，這個(gè)嬰兒名為愛(ài)因斯坦。

52年后，這個(gè)已長(zhǎng)大成人的嬰兒，于麥克斯韋百年誕辰的紀(jì)念會(huì)上盛贊麥克斯韋對(duì)物理學(xué)做出了“自牛頓以來(lái)的一次最深刻、最富有成效的變革”。并一生都以麥克斯韋方程組為科學(xué)美的典范，試圖以同樣的方式統(tǒng)一引力場(chǎng)，將宏觀與微觀的兩種力放在同一組式子中。

往后，這一信念深刻影響了整個(gè)物理界，在“大一統(tǒng)理論”這條路上，物理學(xué)家們前赴后繼地探究著科學(xué)的終極。

結(jié)語(yǔ)

黑暗從此消失

如果說(shuō)17世紀(jì)是一部牛頓力學(xué)史，那么19世紀(jì)便是一部麥克斯韋電磁學(xué)史。

17世紀(jì)，牛頓定律讓現(xiàn)代機(jī)械原理催生出蒸汽機(jī)，機(jī)器首次取代人力，人類進(jìn)入“蒸汽時(shí)代”。

而后19世紀(jì)，麥克斯韋方程組啟迪了愛(ài)迪生等發(fā)明家，電首次取代蒸汽，人類進(jìn)入“電力時(shí)代”。

相比于自然律隱沒(méi)在黑暗中，萬(wàn)有引力讓天地萬(wàn)物遂成光明，麥克斯韋方程組則突破了自然律，讓黑暗從此消失。

1888年，赫茲實(shí)驗(yàn)里那束微弱的只有指縫大小的電火花，讓光與電、電與磁處于電磁力的統(tǒng)一掌握之中，人類文明呈幾何級(jí)迅猛前進(jìn)。

然而，比赫茲料想的更為驚人的是，在他死后的第7年，1901年，那束電火花又通過(guò)無(wú)線電報(bào)穿越大西洋，實(shí)現(xiàn)了全球的實(shí)時(shí)通訊，整個(gè)人類進(jìn)入了一個(gè)嶄新的“信息時(shí)代”。