編者按 麥克斯韋和法拉第等人對(duì)物理學(xué)最大,、最深刻的貢獻(xiàn)就是發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)存在的一種新形態(tài)———場(chǎng)形態(tài)的物質(zhì)存在,。以前，大家一直認(rèn)為物質(zhì)是可分的,。分解之后,，這些組成物質(zhì)的基本構(gòu)件都可以看作是粒子，所以人們認(rèn)為物質(zhì)是由粒子組成的,，而物質(zhì)的存在形態(tài)只有一種——粒子形態(tài),。只要我們有了描寫(xiě)粒子運(yùn)動(dòng)的牛頓定律，我們就可以描寫(xiě)所有物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),。麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了電磁波,，而電磁波不是由粒子組成的，所以麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)存在的新形態(tài)——場(chǎng)形態(tài),，而麥克斯韋方程正是描寫(xiě)這種場(chǎng)形態(tài)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方程,。這種場(chǎng)形態(tài)的新存在，同時(shí)又是一種相互作用——電磁相互作用——的起源,。依此類推,，那么引力相互作用,，是不是也起源于另外一種場(chǎng)形態(tài)的物質(zhì)存在？愛(ài)因斯坦給出了肯定的答案：引力相互作用對(duì)應(yīng)于另外一種場(chǎng)形態(tài)的物質(zhì)存在：引力波,。而后來(lái)的量子力學(xué)又進(jìn)一步統(tǒng)一了這兩種物質(zhì)的存在形態(tài)：波(場(chǎng))就是粒子,，粒子就是波(場(chǎng))。這就是幾百年來(lái),，物理發(fā)展的大線條,。

——文小剛

作者 詹姆斯·勞提奧（James C. Rautio）

翻譯 Lineker

校對(duì) 雨遇

如果你想膜拜偉大的物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell），那去處可多得是,。倫敦的西敏寺（Westminster Abbey）就有一座麥克斯韋紀(jì)念碑,，距離牛頓墓不遠(yuǎn)。最近在愛(ài)丁堡,，這位科學(xué)家出生地的附近,，也豎起了一座宏偉的雕像?；蛘?，你還可以去他最后的安息之地表達(dá)敬意，那里位于蘇格蘭西南部的道格拉斯城堡（Castle Douglas）附近,，不遠(yuǎn)處便是其鐘愛(ài)的祖宅,。這些紀(jì)念性標(biāo)志，皆恰如其分地致敬了這位提出了首個(gè)物理統(tǒng)一理論并且展現(xiàn)了電磁密不可分特性的偉人,。

不過(guò),，這些豐碑并沒(méi)有道出另一層隱情：在麥克斯韋去世的1879年，他那為現(xiàn)代技術(shù)世界奠定良多基礎(chǔ)的電磁理論,，還沒(méi)有真正站穩(wěn)腳跟,。

描述這個(gè)世界的大量信息——即支配光行為、電流動(dòng)和磁動(dòng)力的基本規(guī)則——可以被歸結(jié)為四組優(yōu)美的方程?，F(xiàn)如今,，這些被共同稱之為麥克斯韋方程的公式早已名震天下，差不多每一本入門級(jí)的工程和物理學(xué)教科書(shū)上都能找到它們的蹤影,。

不過(guò),，對(duì)于這些方程是否問(wèn)世于1864年的12月，目前尚存爭(zhēng)議,，當(dāng)時(shí)麥克斯韋向倫敦英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了自己的電磁統(tǒng)一理論,，并于次年即1865年發(fā)表了一篇完整的報(bào)告。此項(xiàng)工作為物理學(xué),、無(wú)線電通訊和電氣工程學(xué)隨后出現(xiàn)的所有偉大成就提供了基礎(chǔ),。

但展示和運(yùn)用之間還存在很大的差距。麥克斯韋理論的數(shù)學(xué)和概念基礎(chǔ)是如此復(fù)雜和違反直覺(jué)，以致于該理論在首次被提出以后,，基本上處于被忽視的境地,。

為了給麥克斯韋的理論打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，一小群癡迷于電磁奧秘的物理學(xué)家足足花費(fèi)了將近二十五年的時(shí)間,。在他們中間,，有人專門收集可證實(shí)光是由電磁波構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，還有人將麥克斯韋方程轉(zhuǎn)化為了當(dāng)前的形式,。德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的歷史學(xué)家布魯斯·亨特（Bruce J. Hunt）將這群物理學(xué)家稱之為“麥克斯韋學(xué)派”,，如果沒(méi)有他們所付出的巨大努力,，現(xiàn)代電磁概念可能還需要數(shù)十年時(shí)間才會(huì)被廣泛接納,。這種延遲將會(huì)進(jìn)一步拖累后續(xù)所有不可思議的科學(xué)技術(shù)的問(wèn)世時(shí)間。

時(shí)至今日,，我們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到,，可見(jiàn)光實(shí)質(zhì)上就是一團(tuán)寬泛的電磁波譜，其輻射是由振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)所組成,。我們知道,，電和磁是密不可分的；變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng),，電流和變化的電場(chǎng)又會(huì)生成磁場(chǎng),。

四則黃金定律

現(xiàn)如今，電磁之間的關(guān)系以及光和通常電磁輻射的波動(dòng)性,，都可以用上圖所示的四則“麥克斯韋方程”來(lái)進(jìn)行表述,。這些方程可以用不同方式來(lái)書(shū)寫(xiě)。方程中,，J為電流密度,。E和B分別代表電場(chǎng)和磁場(chǎng)。另外兩個(gè)場(chǎng)為位移場(chǎng)D和磁場(chǎng)H,。它們通過(guò)常數(shù)與E和B相關(guān)聯(lián),，這些常數(shù)反映了磁場(chǎng)所通過(guò)的介質(zhì)的特性（在真空中，這些常數(shù)的值可以結(jié)合起來(lái)導(dǎo)出光速）,。位移場(chǎng)D是麥克斯韋的關(guān)鍵貢獻(xiàn)之一,，最后一組方程描述了電流和變化的電場(chǎng)如何產(chǎn)生磁場(chǎng)。每組方程最左邊的符號(hào)代表微分算符,。這些簡(jiǎn)潔的微分式包含了矢量,，即擁有方向性的物理量，從而將x,、y和z的空間分量也包含在其中,。麥克斯韋最初提出的電磁理論公式包含了二十則方程。

我們必須感謝麥克斯韋讓我們掌握了這些基本見(jiàn)解。但它們并不是麥克斯韋忽然之間的靈感乍現(xiàn),。他用了五十多年的時(shí)間,，將所需要的證據(jù)一點(diǎn)一滴地累積起來(lái)。

我們可以將歷史的時(shí)鐘撥回到1800年,，那一年物理學(xué)家亞歷桑德羅·伏特（Alessandro Volta）發(fā)明了電池,，這使得實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們可以開(kāi)始利用連續(xù)的直流電展開(kāi)研究。約二十年之后,，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特（Hans Christian ?rsted）掌握了電磁之間關(guān)聯(lián)的首個(gè)證據(jù),，他發(fā)現(xiàn)在靠近通電導(dǎo)線時(shí)羅盤的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。不久以后,，安德魯-瑪麗·安培（André-Marie Ampère）研究發(fā)現(xiàn),，兩根平行通電導(dǎo)線能夠表現(xiàn)出相互吸引或相互排斥的作用，具體作用效果取決于電流的相對(duì)方向,。到了十九世紀(jì)三十年代早期,，邁克爾·法拉第（Michael Faraday）又發(fā)現(xiàn)，拖動(dòng)一塊磁鐵穿過(guò)一個(gè)線圈就能產(chǎn)生電流,，因此他證明了正如電能夠影響磁鐵的行為一樣,，反過(guò)來(lái)磁鐵也能夠影響電。

這些觀察結(jié)果都屬于零碎的作用證據(jù),，沒(méi)有人能夠以系統(tǒng)或綜合的方式來(lái)真正理解它們,。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,？

法拉第種下了一顆重要的思維火種，他設(shè)想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。法拉第猜測(cè)光本身也是一種電磁波,。不過(guò),，將這些想法打造成為完整的理論卻超出了他的數(shù)學(xué)能力。在麥克斯韋開(kāi)始登上了科學(xué)舞臺(tái)之時(shí),，電磁學(xué)的研究現(xiàn)狀便是如此,。

十九世紀(jì)五十年代，從英國(guó)劍橋大學(xué)畢業(yè)的麥克斯韋,，著手嘗試賦予法拉第的觀察結(jié)果和研究理論以數(shù)學(xué)意義,。1855年發(fā)表的《論法拉第力線》（On Faraday’s Lines of Force）一文即屬于他的初次嘗試，在這篇論文中,，麥克斯韋設(shè)想了一種類比模型,，該模型表明描述不可壓縮流體的方程也可用于解決恒定電場(chǎng)或磁場(chǎng)的問(wèn)題。

但一系列的干擾中斷了麥克斯韋的工作。1856年,，他在蘇格蘭亞伯?。ˋberdeen）的馬修學(xué)院（Marischal College）謀得了一份職位；接下來(lái)他又花費(fèi)了數(shù)年時(shí)間對(duì)土星環(huán)的穩(wěn)定性展開(kāi)了數(shù)學(xué)研究,；1860年,，在一次學(xué)院合并中他被辭退；接著又感染天花,，幾乎喪命,，最后他找到了一份新工作：去倫敦國(guó)王學(xué)院（King’s College London）當(dāng)教授。

總而言之,，麥克斯韋就這樣一點(diǎn)一滴地慢慢充實(shí)著法拉第的場(chǎng)理論,。盡管完整的電磁理論尚未成型，但他在1861年和1862年分為若干部分發(fā)表的一篇論文,，卻被證明是一塊重要的晉升之階,。

基于先前的理論,，麥克斯韋設(shè)想存在這樣一類分子介質(zhì),，在該介質(zhì)中，磁場(chǎng)以旋轉(zhuǎn)漩渦陣列的形式存在,。某種形式的微小粒子環(huán)繞著每個(gè)漩渦,，從而讓漩渦的旋轉(zhuǎn)相互傳遞。盡管后來(lái)將這種力學(xué)設(shè)想拋到一邊,，但麥克斯韋發(fā)現(xiàn)它還是有助于描述一系列的電磁現(xiàn)象,。或許,，該設(shè)想最重要的意義在于,，它為一種新的物理概念——位移電流——奠定了基礎(chǔ)。

位移電流并非真正的電流,。它是一種針對(duì)穿過(guò)特定區(qū)域的電場(chǎng)在發(fā)生變化時(shí)如何產(chǎn)生磁場(chǎng)的描述方式,，就像電流變化產(chǎn)生磁場(chǎng)那樣。在麥克斯韋的模型中,，當(dāng)電場(chǎng)變化導(dǎo)致漩渦介質(zhì)中微粒的位置發(fā)生瞬間改變時(shí),，位移電流隨即出現(xiàn)。也就是說(shuō),，這些微粒的運(yùn)動(dòng)生成了電流,。

位移電流最令人矚目的展示之一出現(xiàn)在電容器上：在某些電路中，存儲(chǔ)在電容器兩塊平板之間的能量會(huì)出現(xiàn)高低值的振蕩,。在這樣的系統(tǒng)中,，我們很容易想象麥克斯韋的力學(xué)模型會(huì)如何發(fā)揮作用。如果電容器包含一塊絕緣的介電材料，你就可以認(rèn)為,，位移電流是由被束縛在原子核周圍的電子的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的,。這些電子從一側(cè)往另一側(cè)來(lái)回?cái)[動(dòng)，就好像被拴在繃緊的橡皮筋上,。不過(guò),，麥克斯韋的位移電流比上述表述更為基礎(chǔ)化。它會(huì)產(chǎn)生于任何介質(zhì)中,，甚至包括真空,，那里并不存在可以產(chǎn)生電流的電子。正如真實(shí)的電流一樣,，位移電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),。

補(bǔ)充了上述概念以后，麥克斯韋就擁有了所需的基本元素來(lái)將可衡量的電路特性與兩個(gè)常數(shù)聯(lián)系起來(lái),，這兩個(gè)常數(shù)現(xiàn)已不再使用,，它們可表征在響應(yīng)電壓或電流時(shí)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)形成的難易程度,。（現(xiàn)如今,，我們用自由空間的電容率和磁導(dǎo)率來(lái)定義這些基本常數(shù)。）

正如彈簧常數(shù)會(huì)決定彈簧在拉伸或壓縮之后復(fù)原有多快,，這些常數(shù)也可以合并起來(lái),，以確定電磁波在自由空間里的傳播速度。在其他研究者利用電容器和電感器測(cè)得相關(guān)數(shù)值以后,，麥克斯韋就能夠估算出電磁波在真空中的傳播速度,。通過(guò)將這一數(shù)值與已知的光速估值相比較，他發(fā)現(xiàn)二者近似,，并進(jìn)而推導(dǎo)出光肯定也是一種電磁波,。

1864年，麥克斯韋完成了電磁理論的最后一塊關(guān)鍵拼圖,，當(dāng)時(shí)他才三十三歲（在后續(xù)的研究過(guò)程中他只是做了一些簡(jiǎn)化）,。在隨后的討論和論文中，他拋棄了原來(lái)的力學(xué)模型,，但保留了位移電流的概念,。通過(guò)深入的數(shù)學(xué)研究，他描述了電磁之間的關(guān)聯(lián)方式,，以及在恰當(dāng)?shù)臈l件下其共同作用如何產(chǎn)生電磁波,。

這項(xiàng)研究成果堪稱是現(xiàn)代電磁學(xué)理論的基礎(chǔ)，它為物理學(xué)家和工程師們提供了所需的所有工具,，運(yùn)用這些工具,，他們可以計(jì)算出電荷,、電場(chǎng)、電流和磁場(chǎng)之間的相互關(guān)系,。

不過(guò)在當(dāng)時(shí),，這一顛覆性的成果卻遭到了嚴(yán)重質(zhì)疑，有些質(zhì)疑之聲甚至來(lái)自于麥克斯韋最親密的同事,。最直言不諱的反對(duì)意見(jiàn)出自威廉·湯姆森爵士（Sir William Thomson）,，即后來(lái)的開(kāi)爾文勛爵（Lord Kelvin）。這位當(dāng)時(shí)英國(guó)科學(xué)界的泰斗根本不相信會(huì)有位移電流這樣的東西存在,。

湯姆森的反對(duì)理由順理成章,。在充滿原子的電介質(zhì)中，位移電流的存在是一回事,，但要想象其形成于虛無(wú)的真空中則又是另外一回事,。缺少力學(xué)模型來(lái)描述這種環(huán)境，且不存在實(shí)際運(yùn)動(dòng)的電荷,，我們根本不清楚何謂位移電流或者它會(huì)如何產(chǎn)生,。對(duì)于維多利亞時(shí)代的眾多物理學(xué)家而言，這種物理機(jī)制的缺失堪稱災(zāi)難?，F(xiàn)在我們當(dāng)然愿意接受這樣的物理理論,，譬如量子力學(xué)，雖然有悖于我們的日常直覺(jué),，但只要它們?cè)跀?shù)學(xué)上嚴(yán)格成立且具備強(qiáng)大的預(yù)測(cè)能力就足矣,。

麥克斯韋同時(shí)代的研究者們亦察覺(jué)到了其理論存在的其他重大缺陷,。舉例來(lái)說(shuō),，麥克斯韋假定，振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同形成了波,，但他并沒(méi)有描述這些波如何通過(guò)空間傳播,。在當(dāng)時(shí)，所有已知的波動(dòng)都需要介質(zhì)來(lái)進(jìn)行傳播,。譬如,，聲波可以在空氣和水中傳播。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們推斷,，如果電磁波存在,，就肯定存在相應(yīng)的傳播介質(zhì)，即便這種介質(zhì)是無(wú)色,、無(wú)味或無(wú)形的,。

麥克斯韋也相信這樣的介質(zhì)——或稱之為以太——的存在。他認(rèn)為,，以太充斥于所有空間,，電磁行為是由于在這種以太中壓縮,、拉伸和運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的結(jié)果。但1965年,，在兩卷本的《電與磁的論述》（

Treatise on Electricity and Magnetism）中,，麥克斯韋在沒(méi)有使用任何力學(xué)模型的前提下就給出了方程，為這些神秘的電磁波可能如何傳播以及為什么會(huì)這樣傳播提供了佐證,。對(duì)于同時(shí)代的很多科學(xué)家來(lái)說(shuō),，模型的缺失讓麥克斯韋的理論看起來(lái)不完整得令人痛心。

或許最關(guān)鍵的地方在于,，麥克斯韋對(duì)于其理論的自我描述復(fù)雜得令人震驚,。大學(xué)生們可能會(huì)抱著敬畏之心來(lái)接納四則麥克斯韋方程，但要理解這位物理學(xué)家的實(shí)際構(gòu)想就太過(guò)棘手了,。為了簡(jiǎn)潔地表述這些方程,，我們需要一定的數(shù)學(xué)功底，而在麥克斯韋開(kāi)展研究工作之時(shí),，這些數(shù)學(xué)知識(shí)還沒(méi)有完全成型,。具體來(lái)說(shuō)，我們需要運(yùn)用矢量微積分,，它是一種書(shū)寫(xiě)三維矢量微分方程的簡(jiǎn)潔方式,。

現(xiàn)如今，麥克斯韋理論可以被歸納為四則方程,。但在當(dāng)時(shí),，他用帶有二十個(gè)變量的二十組聯(lián)立方程才表述了自己的構(gòu)想。其方程的維度參數(shù)（即x,、y和z軸方向）必須分開(kāi)表述,。此外，他還運(yùn)用了一些反直覺(jué)的參數(shù),。當(dāng)然,，我們現(xiàn)在已經(jīng)習(xí)慣于電磁場(chǎng)的思考方式并運(yùn)用它們來(lái)解決問(wèn)題。但麥克斯韋主要運(yùn)用的是另外一類場(chǎng),，這種量他稱之為電磁動(dòng)量,，從電磁動(dòng)量出發(fā)，他就可以計(jì)算法拉第最初設(shè)想的電場(chǎng)和磁場(chǎng),。麥克斯韋或許已經(jīng)為這種場(chǎng)——即現(xiàn)在我們稱之為磁矢勢(shì)——選好了名字,，因?yàn)槠鋵?duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)即為電磁力。但涉及到計(jì)算邊界處的很多簡(jiǎn)單電磁行為譬如電磁波如何被導(dǎo)電表面反射時(shí),，磁矢勢(shì)對(duì)于我們毫無(wú)用處,。

這種復(fù)雜性所帶來(lái)的最終結(jié)果便是：當(dāng)麥克斯韋的理論首次亮相時(shí)，幾乎無(wú)人問(wèn)津,。

插圖來(lái)源：Lorenzo Petrantoni

不過(guò),，還是有一些人注意到麥克斯韋的研究,。奧利弗·赫維賽德（Oliver Heaviside）便是其中之一。赫維賽德出身于極度貧窮的家庭,，聽(tīng)力部分殘疾,，從未上過(guò)大學(xué)，曾有朋友將其形容為“一等一的怪人”,。他完全靠自學(xué)掌握了高等科學(xué)和數(shù)學(xué),。

在接觸到麥克斯韋于1873年出版的《電與磁論述》一書(shū)時(shí)，赫維賽德二十歲剛出頭,，還在英格蘭東北部的紐卡斯?fàn)柛芍环蓦妶?bào)員的工作,。“我越來(lái)越覺(jué)得它了不起,，”他后來(lái)寫(xiě)道,。“于是我下決心讀透這本書(shū),，并馬上展開(kāi)研究工作,。”第二年,，他便辭掉了工作,，搬到父母家中，開(kāi)始研究麥克斯韋的理論,。

正是赫維賽德將麥克斯韋的方程改寫(xiě)為當(dāng)前的形式,，他的大部分研究工作都是在隱居狀態(tài)下完成的。1884年夏天,，赫維賽德對(duì)電路中能量如何輸送的問(wèn)題展開(kāi)了調(diào)查,。他想解決這樣一個(gè)問(wèn)題，電流攜帶的能量究竟存在于電路中還是電路周圍的電磁場(chǎng)中,？

赫維賽德最終得出了一個(gè)已經(jīng)由另外一位英國(guó)物理學(xué)家約翰·亨利·波因廷（John Henry Poynting）公開(kāi)發(fā)表過(guò)的結(jié)論,。不過(guò)，前者顯然走得更遠(yuǎn),，在解決復(fù)雜的矢量微積分問(wèn)題的過(guò)程中，赫維賽德碰巧找到了一種方式,，可以將麥克斯韋的二十則方程重新表述為我們現(xiàn)在所使用的四則方程,。

改寫(xiě)的關(guān)鍵在于擯棄麥克斯韋奇怪的磁矢勢(shì)?！爸钡綄⑺械拇攀竸?shì)拋到了九霄云外,，我才逐漸有了些眉目，”赫維賽德后來(lái)這樣說(shuō)道,。新的表述形式將電磁場(chǎng)置于了首要的中心地位,。

此項(xiàng)工作所帶來(lái)的成果之一便在于,，它凸顯了麥克斯韋方程美妙的對(duì)稱性。在這四則方程組中,，一則方程描述了變化的磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)（法拉第的發(fā)現(xiàn)）,，另一則方程則描述了變化的電場(chǎng)如何生成磁場(chǎng)（著名的位移電流理論，來(lái)自于麥克斯韋的補(bǔ)充）,。

這種改寫(xiě)亦帶來(lái)了一個(gè)謎團(tuán),。像電子和離子這樣的電荷，其周圍存在從電荷本身發(fā)出的電場(chǎng)線,。但磁場(chǎng)線卻不存在源頭：在我們的已知世界中,，磁場(chǎng)線總是連續(xù)封閉的，既無(wú)起點(diǎn),，也無(wú)終點(diǎn),。

這樣的不對(duì)稱性難倒了赫維賽德，于是他補(bǔ)充了一個(gè)表征磁“荷”的物理量,，并假定其還未被發(fā)現(xiàn),。事實(shí)也的確如此。從那時(shí)起,，物理學(xué)家們就一直在努力尋找著也被稱之為磁單極子的磁荷,。不過(guò)到現(xiàn)在，還沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡,。

不過(guò),，磁流這種實(shí)用技巧依然可以用來(lái)解決帶有某些幾何性質(zhì)的電磁問(wèn)題，譬如解釋穿過(guò)導(dǎo)電層狹縫的輻射行為,。

如果赫維賽德已經(jīng)將麥克斯韋方程完善到了這種程度,，那么為什么我們不把它們叫做赫維賽德方程呢？1893年,，在三卷本《電磁理論》（ElectromagneticTheory）一書(shū)第一卷的序言中,，赫維賽德親自做了解答。他寫(xiě)到,，除非我們有充足的理由“相信,，在指給他【麥克斯韋】看時(shí)，他會(huì)承認(rèn)改寫(xiě)的必要性,，不然我覺(jué)得這個(gè)后來(lái)修正的理論還是被叫做麥克斯韋理論為好,。”

數(shù)學(xué)上的美感是一回事,，而找到麥克斯韋理論的實(shí)驗(yàn)性證據(jù)則又是一回事,。1879年，年僅四十八歲的麥克斯韋便撒手人寰,，當(dāng)時(shí)人們依然認(rèn)為他的理論是不完備的,。撇開(kāi)可見(jiàn)光的光速和電磁輻射的速度似乎相當(dāng)這一點(diǎn)不談,，沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)性的證據(jù)可以表明，光是由電磁波構(gòu)成的,。此外,，如果電磁輻射形成了光，那么麥克斯韋并沒(méi)有特別點(diǎn)出前者所應(yīng)當(dāng)具備的諸多性質(zhì),，即類似于反射和折射之類的行為,。

物理學(xué)家喬治·弗蘭西斯·菲茨杰拉德（George Francis FitzGerald）和奧利弗·洛奇（Oliver Lodge）的工作強(qiáng)化了電磁波與光之間的關(guān)聯(lián)。這兩人都是麥克斯韋《電與磁論述》一書(shū)的支持者,，在麥克斯韋去世的前一年,，他們結(jié)識(shí)于英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)（British Association for the Advancement of Science）在都柏林召開(kāi)的一次會(huì)議上，此后這兩位物理學(xué)家便通過(guò)書(shū)信往來(lái),，展開(kāi)了合作研究,。他們彼此之間的通信以及與赫維賽德的通信推動(dòng)了科學(xué)界對(duì)于麥克斯韋學(xué)說(shuō)的理論認(rèn)識(shí)。

正如歷史學(xué)家亨特在自己的著作《麥克斯韋學(xué)派》（The Maxwellians）中所概括的,，洛奇和菲茨杰拉德也希望發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)證據(jù),，以支持光是一種電磁波的理論。但在當(dāng)時(shí)他們并沒(méi)有取得太大進(jìn)展,。十九世紀(jì)七十年代末,，洛奇設(shè)計(jì)出了一些電路，他原本希望這些電路能夠?qū)⒌皖l電流轉(zhuǎn)化為高頻光,，不過(guò)這樣的努力以失敗而告終,，因?yàn)槁迤婧头拼慕芾乱庾R(shí)到，該方案所產(chǎn)生的輻射其頻率過(guò)低,，以致于無(wú)法用肉眼感應(yīng)到,。

差不多十年之后，在進(jìn)行防雷實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,，洛奇注意到導(dǎo)線旁邊的放電電容會(huì)產(chǎn)生弧光,。好奇之下，他改變了導(dǎo)線的長(zhǎng)度,，結(jié)果電容器中出現(xiàn)了奪目的閃光,。他正確地推斷出這就是電磁波共振所產(chǎn)生的現(xiàn)象。洛奇意識(shí)到,，如果能量足夠,，他實(shí)際上就能夠讓導(dǎo)線周圍的空氣電離，這正是引人注目的駐波例證,。

洛奇確信自己生成并探測(cè)到了電磁波，于是從阿爾卑斯度假一回來(lái),，他就計(jì)劃在英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)的一次會(huì)議上匯報(bào)這令人震驚的研究成果,。但是,，在駛出利物浦的火車上，一篇雜志文章讓他意識(shí)到,，自己的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被其他人重現(xiàn)并刊發(fā)了出來(lái),。在這本1888年7月份的《物理學(xué)年刊》（Annalen der Physik）上，他讀到了一篇題為《論空氣中的電動(dòng)力波動(dòng)及其反射》的文章,，論文作者是一位名不見(jiàn)經(jīng)傳的德國(guó)研究者——海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）。

從1886年開(kāi)始,，身處德國(guó)卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)（即現(xiàn)在的卡爾斯魯爾理工學(xué)院）的赫茲就圍繞著論文課題展開(kāi)了研究工作,。他注意到，當(dāng)通過(guò)一組線圈對(duì)電容放電時(shí),，會(huì)產(chǎn)生奇特的現(xiàn)象,，即距離不遠(yuǎn)處的另一組完全相同的線圈會(huì)在其未相互連接的末端間出現(xiàn)弧光。赫茲意識(shí)到,，未相連的線圈中所出現(xiàn)的閃光是由于接收電磁波所導(dǎo)致的,，而電磁波則是由帶有放電電容的線圈所激發(fā)的。

于是,，倍受鼓舞的赫茲便開(kāi)始利用這類線圈中的閃光,，來(lái)探測(cè)不可見(jiàn)的射頻波動(dòng)。他不斷進(jìn)行試驗(yàn),，進(jìn)而證實(shí)了電磁波也會(huì)展現(xiàn)出反射,、折射、衍射和偏振等類光行為,。他在真空和導(dǎo)線周圍都做了大量的實(shí)驗(yàn),。赫茲還用瀝青做了一塊電磁波可穿透的棱鏡，他用這塊一米多高的棱鏡來(lái)觀察相對(duì)較為顯著的反射和折射現(xiàn)象,。他朝著由平行導(dǎo)線組成的柵格發(fā)射電磁波,，進(jìn)而證實(shí)了電磁波會(huì)反射或穿過(guò)柵格，具體效果取決于后者的方向,。這一結(jié)果表明電磁波是橫向的：和光一樣,，它們的振動(dòng)方向垂直于傳播方向。赫茲也利用大塊的鋅板對(duì)無(wú)線電波進(jìn)行了反射,，并測(cè)量了所產(chǎn)生的駐波中抵消零點(diǎn)之間的距離,，進(jìn)而確定了這種波動(dòng)的波長(zhǎng)。

赫茲通過(guò)測(cè)量其類似回路的發(fā)射天線上的電容量和電感量,，計(jì)算出了電磁輻射的頻率,，再加上上面的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，他就可以計(jì)算這種不可見(jiàn)波動(dòng)的傳播速度，該數(shù)值與已知的可見(jiàn)光傳播速度十分接近,。

奇妙的無(wú)線電：海因里?！ず掌澙镁€圈（左側(cè)）和天線（右側(cè)）生成并探測(cè)到了可見(jiàn)范圍之外的電磁輻射。（圖片來(lái)源：卡爾斯魯爾理工學(xué)院檔案）

麥克斯韋假設(shè)光是一種電磁波,。赫茲證實(shí)了很可能整個(gè)宇宙中的不可見(jiàn)電磁波都擁有類似可見(jiàn)光的行為,，它們?cè)谟钪嬷械膫鞑ニ俣纫才c可見(jiàn)光相同。從推理的角度而言,，讓眾人接受光本身也是一種電磁波的論斷,，這些啟示已經(jīng)足夠了。

赫茲研究工作的美妙和完備大大補(bǔ)償了洛奇對(duì)于被搶了頭條的失望之情,。于是,，洛奇和菲茨杰拉德開(kāi)始致力于推廣赫茲的發(fā)現(xiàn)，他們將這一成果提交給了英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì),。很快,，赫茲的工作又啟發(fā)了無(wú)線電報(bào)的發(fā)明。在早期雛形階段,，這項(xiàng)技術(shù)所采用的發(fā)射裝置與赫茲使用的寬波段火花間隙裝置非常相像,。

最終，科學(xué)家們接納了電磁波能夠在真空中傳播的觀點(diǎn),。由于缺少行之有效的力學(xué)機(jī)制而導(dǎo)致起初不受待見(jiàn)的場(chǎng)論,，也在現(xiàn)代物理的絕大多數(shù)層面占據(jù)了核心地位。

后續(xù)的故事還要精彩得多,。多虧了這些敬業(yè)科學(xué)家們的不懈努力,，麥克斯韋的理論才得以在十九世紀(jì)結(jié)束之前就真正站穩(wěn)了腳跟。

麥克斯韋學(xué)派的研究里程碑

1785年

夏爾-奧古斯丁·庫(kù)侖（Charles-Augustin de Coulomb）發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電荷之間的作用力與距離的平方成反比,。

1800年

亞歷桑德羅·伏特首次發(fā)明了電池,，這使得實(shí)驗(yàn)科學(xué)家們可以開(kāi)始利用連續(xù)的直流電展開(kāi)研究。

1820年

插圖來(lái)源：維基百科

漢斯·克里斯蒂安·奧斯特發(fā)現(xiàn)在靠近通電導(dǎo)線時(shí)羅盤的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),，這是首個(gè)電磁之間的關(guān)聯(lián)證據(jù),。

1820年

安德魯-瑪麗·安培研究發(fā)現(xiàn)，兩根平行通電導(dǎo)線能夠表現(xiàn)出相互吸引或相互排斥作用,，具體作用效果取決于電流的相對(duì)方向,。

1831年

插圖來(lái)源：維基百科

設(shè)想電場(chǎng)和磁場(chǎng)存在的邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

1831年

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋出生于愛(ài)丁堡,。

1855年

麥克斯韋關(guān)于法拉第觀測(cè)現(xiàn)象及其相關(guān)理論的首篇論文面世,。

1861年和1862年

麥克斯韋發(fā)表了一篇名為《論法拉第力線》的論文。該論文分為四部分,，它介紹了通過(guò)表面的電通量變化可產(chǎn)生磁場(chǎng)的核心理論,。

1864年

麥克斯韋向倫敦英國(guó)皇家學(xué)會(huì)遞交了自己的最新研究成果,，并于次年發(fā)表了論文。此項(xiàng)研究表明,，電場(chǎng)和磁場(chǎng)能夠以波的形式在空間傳播,，而光本身就是這樣一種波動(dòng),。

1873年

麥克斯韋出版了巨著《電與磁論述》,，這本書(shū)包含了更進(jìn)一步的數(shù)學(xué)成果和詮釋工作。

1879年

普魯士皇家科學(xué)院發(fā)起了一項(xiàng)競(jìng)賽,，即找到實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)支持或駁斥電磁波的存在,，受到鼓動(dòng)的海因里希·赫茲由此對(duì)麥克斯韋的研究產(chǎn)生了興趣,。

1879年

麥克斯韋死于胃癌,，享年四十八歲。

1885年

奧利弗·赫維賽德發(fā)表了精簡(jiǎn)版的麥克斯韋方程,，他將二十組方程減少到了四組,。

1888年

在搬到設(shè)備精良的卡爾斯魯爾實(shí)驗(yàn)室之后，赫茲耗費(fèi)了數(shù)年時(shí)間終于證實(shí)了麥克斯韋所預(yù)測(cè)的電磁波是實(shí)際存在的,。

1940年

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的專著《關(guān)于理論物理基礎(chǔ)的思考》（Considerations Concerning the Fundaments of Theoretical Physics）大大提升了“麥克斯韋方程”一詞的知名度,。

* 作者詹姆斯·勞提奧（James C. Rautio）是Sonnet Software公司的創(chuàng)始人。

原文鏈接：

http://spectrum./telecom/wireless/the-long-road-to-maxwells-equations