物理學(xué)這個學(xué)科的一個特點是有太多的英雄人物,。如果你不理解他們都干了什么，對物理學(xué)家保持不明覺厲,、敬而遠(yuǎn)之的態(tài)度,，你完全可以踏踏實實地過好這一生?？墒侨绻阋坏┱嬲斫饬诉@些英雄做的事兒,，你可能就再也不愿意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”,。

在講愛因斯坦的豐功偉業(yè)之前,，咱們先說另外一個英雄，英國物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋,。麥克斯韋統(tǒng)一了電磁學(xué),。這個工作有多了不起呢？費曼是這么說的 ——

“從人類歷史的長遠(yuǎn)觀點來看……幾乎無疑的是,，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電動力學(xué)定律將被判定為19世紀(jì)最重要的事件,。與這一重要科學(xué)事件相比，發(fā)生于同一個10年中的美國內(nèi)戰(zhàn),，將褪色而成為只有區(qū)域性的意義,。”

麥克斯韋干的這件事,，可以吹好幾輩子,。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉,。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感,。

這件事直接導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的創(chuàng)立,。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子,，突然就有人弄了個大事件,。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對,。你抓住這一點點不對,，仔細(xì)追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開,，尋常的日子就不存在了,，影片從此進(jìn)入奇幻世界……然后你就期待續(xù)集吧。

咱們先從尋常的物理現(xiàn)象說起,。

我們在生活中能接觸到的物理現(xiàn)象其實就那么幾種,。你搬運(yùn)東西、測量一個什么運(yùn)動的速度,，那是力學(xué),；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色,，那是光學(xué),；你家里的一切家用電器，幾乎都來自電磁學(xué),。

電磁學(xué)并不神秘,。什么是電呢？電就是電荷之間的相互作用,。電子帶負(fù)電,，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力,，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力,，也就是同性相斥，異性相吸,。

那什么是磁呢,？磁來源于電，是電荷的運(yùn)動產(chǎn)生磁,。一段導(dǎo)體中有電流,，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵,，也無非就是其中原子排列的很整齊,，每個原子周圍電子的運(yùn)動帶來的磁力。

而如果用物理學(xué)家的眼光理解電磁現(xiàn)象,，你必須得掌握一個概念,，叫做“場”。

兩個電荷之間發(fā)生吸引,，請問這個吸引力是怎么感覺到的呢,？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這里邊可沒有什么“超距作用”,。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”,，另一個電荷不是跟這個電荷直接發(fā)生相互作用,，而是跟這個電荷的電場發(fā)生相互作用 —— 

圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地,，磁力,，其實也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——

確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起,，形成一個總的電磁場,，然后各個帶電物質(zhì)根據(jù)自己所在位置的電磁場來決定自己怎么運(yùn)動。

電磁場可不是物理學(xué)家的想象,，而是客觀存在的東西,，你完全可以用儀器探測出來。我記得愛因斯坦曾經(jīng)有一句話說,，“場,，就好像我坐的這把椅子一樣真實?！碑?dāng)然現(xiàn)在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”,、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了,。

好,，現(xiàn)在麥克斯韋出場。

麥克斯韋之前的物理學(xué)家已經(jīng)對電磁現(xiàn)象做過各種研究,。特別是法拉第,，在實驗室里發(fā)現(xiàn)，變化的磁場能夠帶來一個電流,，也就是說“磁能生電”,。像這些電磁現(xiàn)象都很有意思，你完全可以編寫一本書,，列舉科學(xué)家已有的電磁學(xué)知識 —— 但是這些知識有點雜亂無章,，就好像一本寫滿了各地風(fēng)土人情的菜譜。

麥克斯韋要做的事情,，有點像是一位好學(xué)的武林高手,，博采眾家之長，融會貫通之后,，創(chuàng)立了自己的武學(xué),。

這門學(xué)問不但是一統(tǒng)江湖，而且還推演出一些前人根本沒想到過的新物理來,。

1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個方程,，來描寫*所有的*電磁現(xiàn)象,。這就是著名的麥克斯韋方程組,，它們寫出來非常漂亮 —— 

前三個方程分別說的是（1）電荷產(chǎn)生電場；（2）沒有磁荷,；（3）變化的磁場也能產(chǎn)生電場,。第（4）個方程右邊的第一項說的是電流產(chǎn)生磁場，所有這些都是當(dāng)時已知的物理知識,。

我們重點說說它的第二項,。這一項就是麥克斯韋的獨特發(fā)現(xiàn)。一方面,，是麥克斯韋考慮電和磁之間應(yīng)該有一個對偶的關(guān)系,。那既然法拉第的實驗證明變化的磁場能產(chǎn)生電場，變化的電場是不是也能產(chǎn)生磁場呢,？另一方面,，這一項也是讓方程組在數(shù)學(xué)上自洽、讓電荷數(shù)守恒的要求,。這一項,，就是說變化的電場也能產(chǎn)生磁場。

后來人們用實驗證明麥克斯韋是對的,。但是請注意,，麥克斯韋這個發(fā)現(xiàn)純粹是理論推導(dǎo)出來的！這就好比說一個偵探,，聽取了各方的信息之后突然就推斷出來一個人們意想不到的結(jié)論,。而麥克斯韋用的僅僅是數(shù)學(xué)。

好,，現(xiàn)在麥克斯韋知道 ——

* 變化的磁場能產(chǎn)生電場

* 變化的電場又能產(chǎn)生磁場

那首先你就能看出來,，電和磁其實在某種程度上是“一回事兒”，電場和磁場可以互相產(chǎn)生,，就算沒有電荷,，用磁場也能產(chǎn)生電場。

但麥克斯韋緊接著想到,，如果我用線圈弄一個震蕩的電流,，產(chǎn)生一個周期變化的磁場，那么這個周期變化磁場就能產(chǎn)生一個周期變化的電場,，而這個周期變化的電場又能產(chǎn)生新的周期變化的磁場……以此類推,，豈不是說這個電磁場可以一直傳播下去嗎？

這就是電磁波,！二十多年以后人們真的在實驗中制造了電磁波,，給后世生活帶來巨大的影響，不過麥克斯韋在意的不是電磁波的實用價值,。

麥克斯韋可以用他的方程組直接計算這個電磁波的傳播速度,。他算出來電磁波速度,，發(fā)現(xiàn)跟光速，它們的數(shù)值是一樣的,！

光是有速度的,。你打開一盞燈，光線不會瞬間傳播到宇宙的另一頭去,。當(dāng)時的人已經(jīng)在實驗中測量了光速,。而且早在1801年人們就已經(jīng)知道光是一種波。但是人們并不知道光到底是怎么回事,。

而現(xiàn)在麥克斯韋計算得出的電磁波的速度正好是光速,，于是麥克斯韋大膽宣稱，光,，其實就是電磁波,。后來人們證實果然是這樣，我們平時所見的可見光無非就是特定頻率的電磁波而已,。

這是物理學(xué)家再一次看破了紅塵,。天上的東西和地上是一回事兒，勻速直線運(yùn)動和靜止是一回事,，電和磁是一回事兒,，而現(xiàn)在麥克斯韋說，光跟電磁場,，其實也是一回事兒,。

這么一來，物理學(xué)的邏輯結(jié)構(gòu)就變得更簡單了,。牛頓力學(xué)加上麥克斯韋電磁學(xué),，身邊的一切物理現(xiàn)象等于是都被理解了。這絕對是英雄的壯舉,。

但是這個成就里邊有一個危機(jī),。

咱們先捋一捋麥克斯韋的發(fā)現(xiàn) ——

1. 他用四個方程概括了所有電磁現(xiàn)象；

2. 他發(fā)現(xiàn)變化的電磁場可以互相產(chǎn)生,，從而推導(dǎo)出電磁波,；

3. 他計算出電磁波的速度正好是光速，從而說明光其實就是電磁波,。

現(xiàn)在我們知道了,，光速，是電磁現(xiàn)象所要求的結(jié)果,，是可以用數(shù)學(xué)計算出來的,。

那好。請問,，你麥克斯韋計算出來的這個光速,，是*相對于*誰的呢,？

從邏輯角度，你不能脫離坐標(biāo)系（或者叫“參照系”）談速度,。

比如說，你站在一艘快速行駛的船上,，船的速度是每小時50公里,。你在船上射出去一支箭，你平時射箭的速度是每小時100公里,，那這個“每小時100公里”就是相對于船上的你來說的,。

而相對于站在岸邊的我來說，箭的速度就應(yīng)該是每小時 50+100 = 150公里,，對吧,？速度都是相對的。

那麥克斯韋方程組解出來的光速是相對于誰呢,？這個問題可以有兩種答案,。

老百姓的直覺是，光速肯定是相對于光源的,。你打開手電筒射出去一束光,，那這個光速肯定是相對于手電筒啊 —— 但是這個說法很快就被物理學(xué)家給否定了。

宇宙中有一種“雙星系統(tǒng)”,，就是兩個臨近的恒星互相繞著對方旋轉(zhuǎn),，誰也離不開誰。從我們這里觀察,，就總有一顆恒星在向著我們運(yùn)動,，另外一個恒星向著我們相反的方向運(yùn)動 —— 

如果光速是相對于光源的速度,，那么向我們走的這個恒星的光速就應(yīng)該更快一點,，離我們而去的恒星的光速應(yīng)該更慢一點 —— 

這個速度差異并不大，但是因為雙星距離我們十分遙遠(yuǎn),，星光到達(dá)我們需要的時間就很長,，這一點點速度差異就足以讓我們觀察到兩顆星的星光有一個延遲。

可是天文學(xué)家觀測了各種雙星系統(tǒng),，從來都沒有看到任何延遲,。兩個恒星的光速始終都是一樣的！

這說明光速跟光源的速度無關(guān),。物理學(xué)家對此并不感到驚訝,，因為電磁波本來就是脫離最早產(chǎn)生它的電荷和電流而獨立存在。波,，畢竟不是射出去的箭,。

物理學(xué)家設(shè)想,，光其實是遍布宇宙空間的某種介質(zhì)的波動，而光速就是相對于這個介質(zhì)的速度……可是當(dāng)時的人萬萬沒想到,，這個解釋的問題更大,。

咱們下一講再說。