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第2章 超链接世界的诞生电磁波（第2页）

如果有可能的话，麦克斯韦一定会不惜一切代价，穿过车水马龙的阿尔伯马尔街赶到现场，亲眼见证那块磁铁在一种无形力量的驱使下神秘地旋转，就好像来自遥远未来的某种不可思议的奇迹，通过时间隧道降临在19世纪的伦敦。那天见证这一奇迹的不只有法拉第，还有他14岁的侄子乔治（Gee）。当时两人兴奋地绕着实验台手舞足蹈，之后还去看了一场马戏，以示庆祝。

显而易见的问题是：既然电流能产生磁，那么磁能不能激发电流呢？直到1831年夏天，法拉第才找到答案。那时，戴维已经去世，法拉第接替他担任了皇家研究所实验室主任。

奥斯特发现电流的磁效应后不久，被称为“电学中的牛顿”的法国科学家安德烈·玛丽·安培（André-MarieAmpère）就发现，将导线绕制成圆柱形的螺线管可以提高磁效应。[17]螺线管的匝数越多，其磁效应越强；但相邻的导线不能相互接触，否则会发生漏电。这就需要在导线之间插入不导电材料，也就是我们常说的绝缘体。

法拉第因而转向螺线管，尝试用磁力生电。那时人们知道铁能极大地增强螺线管的磁性，所以法拉第把铁做成直径为15厘米的环形，在铁环的两边，用导线各绕了一个紧密的螺线管线圈。线圈中相邻导线之间、层与层之间，以及线圈与铁芯之间用布隔开。尽管这两个线圈之间没有电学连接，但法拉第预计，电流流过一个线圈把它变成磁铁时，产生的磁“卷须”将通过空气延伸到另一个螺线管线圈中。

法拉第合上开关，让电流流过第一个螺线管线圈，令他高兴的是，第二个线圈中出现了一股短暂的电流；然后他切断了线圈的电流，另一股稍纵即逝的电流出现在第二个线圈中，但奇怪的是，这一次，电流流向相反的方向。这是一个划时代的发现，法拉第成功地用磁生成了电。

后来法拉第找到了一种更简单的方法来达到同样的目的：只要将条形磁铁插入螺线管线圈中，当把磁铁推进去时，电流流向一个方向；把磁铁拉出来时，电流流向另一个方向。法拉第并不知道其中的原理，但他发现的电磁感应终有一天会改变世界，并将促进大规模发电的发电机的发展。

毫无疑问，电和磁之间存在着密切的联系，但最基本的问题仍然悬而未决。电是什么？磁是什么？尽管这些谜团仍然困扰着法拉第，但经过那些开创性的实验，他已经对电和磁是如何工作的有了一定认识，这引导着法拉第产生了一个激进的（在当时可被称作“异端的”）想法。

当法拉第拿着铁块靠近磁铁时，能真切地感受到磁铁的吸力，于是，他得出结论，磁铁周围的空间中一定散布着某种看不见但真实存在的东西。当法拉第拿着用毛皮摩擦过的琥珀靠近碎纸时，琥珀吸住了细小的纸屑，他由此确信，电荷周围的空间中也充斥着某种真实但看不见的东西。

在法拉第看来，磁铁在周围的空间里建立起磁力场，而正是这个磁力场作用于金属。类似地，带电物体在周围的空间中建立起电力场，而正是这个场作用于碎纸片。想象中，法拉第似乎可以看到这些磁铁、电力场就像一阵风、一团雾，弥漫在空中。

以这种方式看待世界的只有他一个人。在当时，人们都认为起主要作用的是电流，但法拉第坚信电力场才是关键。在他看来，电场存在于导线周围的空间中，是能量的主要载体，导体只是电场的引导者。电流仅仅是次级效应，是导体和电场相交的地方，由电场推动电荷的流动。

关于场的想法揭示了奥斯特和法拉第的发现中赏心悦目的对称性。奥斯特发现的载流导线的磁效应，表明变化的电场会产生磁场；法拉第发现的电磁感应，表明变化的磁场会产生电场。

法拉第“场”的观点之所以不被接受、被当作异端邪说，是因为艾萨克·牛顿的成功。这个有史以来最伟大的科学家已经非常成功地将万有引力——另一种基本力——解释成“瞬间”穿越太空的。根据牛顿的万有引力理论，太阳的引力是直接作用于地球的，在太阳和地球之间不需要传递力的介质。当然，这种“瞬间发生的超距作用”（aatadistance）的想法是荒唐的。事实上，就连牛顿自己也说：“这只是在建立可行理论时使用的一种假设而已。”不幸的是，后来的物理学家们如此拘泥于万有引力理论，以至于忽视了牛顿本人的保留意见，转而执着于超距作用的错误观念。

尽管牛顿本人的思想与法拉第的观点之间并不矛盾，但这对法拉第毫无帮助，因为科学界的其他人并不这样想。法拉第遭到了人们的嘲笑，更令他感到羞愧的是，他是一个出身卑微、自学成才的人，几乎不懂数学，而数学是受过大学教育的物理学家们的通用语言。

具有讽刺意味的是，正是因为法拉第缺乏数学知识，才使他摆脱了牛顿的束缚，或者说，至少是牛顿思想的束缚。也正是这种自由，使法拉第能够在想象中“看到”遍布太空的电场和磁场，并凭借从这种想象中获得的直觉，设计和开展别人想不到的实验。

麦克斯韦几乎是19世纪的数学物理学家中唯一认识到法拉第及其工作重要性的人。像法拉第一样，麦克斯韦也对电和磁的难题产生了一种近乎痴迷的兴趣。1854年2月，时年23岁的麦克斯韦在剑桥大学三一学院（TrinityCollege）完成研究生学业后，开启了研究生涯。麦克斯韦向物理学家威廉·汤姆森（WilliamThomson）征求建议，阅读什么书籍才能弄懂令人迷惑的电磁现象。

后来成为开尔文勋爵的汤姆森正在参与一项雄心勃勃的计划，即在大西洋海底铺设英国和美国之间的电报电缆，这相当于当时的阿波罗计划。尽管如此，他还是抽出时间向麦克斯韦推荐了法拉第于1838年出版的《电学实验研究》（ExperimentalResearElectricity）。这部三卷本的专著对已知的关于电学的所有知识进行了总结，其中大部分都是法拉第自己的发现。麦克斯韦仔细研究了书中清晰的、非数学性的陈述，觉得自己与作者产生了共鸣。作为实验者，法拉第有着极其敏锐的洞察力，在自己能够证实之前，不接受先入为主的观点。麦克斯韦深受感动，于是决定在将法拉第的著作完全读懂之前，不读任何基于超距作用观点分析电现象的著作。

麦克斯韦对法拉第电场和磁场的观点尤其感兴趣。在一个简单的演示中，法拉第将铁屑撒在一块条形磁铁周围，呈现的图案表明，在磁铁周围的确散布着磁力“线”。当法拉第推介这个观点时，其他科学家都嗤之以鼻，感觉非常可笑。但麦克斯韦反复做过这个简单的实验，他知道法拉第说的是对的。

显而易见，麦克斯韦面临的挑战是：如何用数学语言来表达法拉第的形象化描述。为此，麦克斯韦必须先依据法拉第的实验，搭建一个精巧的模型，以便为法拉第的实验赋予数学意义。这做起来并不容易。他一开始的想法是，磁场和电场看上去像流体，应该受流体流动的数学定律支配，在任何点上流动的速度和方向代表了力线的密度和方向。1857年2月，带着些许不安，麦克斯韦给法拉第寄去了一份他的研究进展的初步报告，题为《论法拉第力线》（OnFaraday'sLinesofForce）。尽管麦克斯韦强烈地感觉到，他和法拉第是同道中人，但他不能确定这位长者是否也有同感。

其实麦克斯韦完全不必担心，对于饱受同行奚落的法拉第来说，能收到一位剑桥大学毕业的物理学家的来信，而且如此看重他做过的实验，这是他一生中最重要的时刻之一。法拉第回信给麦克斯韦说：“起初，我真的不敢相信能借助数学来讨论这个话题，后来又惊奇地发现，这些东西竟然与数学规律吻合得那么好。”

法拉第推测，就像磁力线那样，应该也存在着引力线。在麦克斯韦来信的鼓舞下，法拉第征求麦克斯韦对引力线的意见。他知道，这个想法太奇特，势必遭到其他科学家的嘲笑。麦克斯韦很重视这个观点，给法拉第写了一封经过深思熟虑的长信。法拉第在回信中说：“你的来信给我带来了你的思维方式和习惯，这是我第一次和别人交流该主题。这将使我受益匪浅，我要反复阅读、深入思考……我要记住你的话，因为这对我来说很重要……给了我很大的安慰。”

虽然年龄的悬殊阻碍了法拉第和麦克斯韦成为最亲密的朋友，但他们相互尊崇。敢于挑战学术权威是二人拥有的共同个性，如果没有对方的支持，两人都不可能取得各自的声誉。就像法拉第一样，麦克斯韦也尝过被人羞辱的滋味。他在8岁时失去了母亲，在格伦莱尔由父亲独自抚养长大。刚到久负盛名的爱丁堡学院的第一天，麦克斯韦就因为自己的外乡口音、社交上的笨拙、自家缝制的鞋子和衣服而遭到同学们的嘲弄，他们称麦克斯韦为呆瓜。

多年来，麦克斯韦一直在努力解释法拉第的实验结果。起初，他认为磁场和电场像流体，后来他设计了一个更好的模型，这个模型赋予了磁力一个非常奇怪的特性，悍然违背了牛顿主义者们所坚信的——两个物体之间的作用力总是沿着它们之间的直线起作用。但奥斯特已经发现，磁力是环形的，当把罗盘悬挂在一根竖直载流导线旁边时，指针并不指向导线，而是与导线成直角；而且，如果绕着导线改变罗盘的位置，指针总是会转到与导线成直角的位置，磁力是环形的，像看不见的旋风一样，绕着导线打转。事实上，正是运用了这种旋风样的力，法拉第发明了世界上第一台电动机。

在麦克斯韦新的精巧模型中，所有的空间，无论是空的，还是被物质占据的，都塞满了能够旋转的微小齿轮。与磁体直接接触的齿轮转动，带动邻近的齿轮转动，邻近的齿轮又带动远处的齿轮转动，依此类推。这样，环形的磁力就穿过空间，从磁铁传到附近的金属上。

但麦克斯韦在解释自己的力学模型时，除了隐形的齿轮，他还设想了可以像轴承中的滚珠一样沿着齿轮之间的通道移动的小珠子，这些珠子代表电流。事实上，麦克斯韦在不断调整他的模型，以此来模拟更多真实世界的特征。例如，在试图重现材料内部的磁性强度取决于材料本身这一事实的过程中，麦克斯韦想到材料内部的齿轮转动的容易程度取决于材料的类型。最终，麦克斯韦让他的齿轮变得有弹性，这样就能让齿轮在物体内部传递力时不损失能量。麦克斯韦在格伦莱尔完成新模型后，才和妻子凯瑟琳返回伦敦。在模型完成的那一刻，麦克斯韦意识到一件非常重要的事情：他炮制的齿轮和珠子的介质正好可以传播波。

以池塘水面上的波纹为例。雨滴溅落引起的扰动先是在水面上形成一个临时的凸起，接下来，这个凸起在回复力（restforce）——重力——的作用下，向池塘的水平面回落；因水有质量或称惯性，使得凸起部分的下落越过水平面，进而形成凹陷，整个过程会重复多次。当然，水是连续介质，扰动形成的振**不会一直停留在一个地方，而是会逐渐传递到附近的水面。随着时间的推移，进一步传递到更远处的水面。就这样，一种波浪式的扰动以同心圆的形式，沿着池塘的水面传播开来。

麦克斯韦的齿轮和珠子的介质既有惯性也有回复力，因此，如果这种介质受到振动，类似涟漪的扰动，就会像池塘里的波纹一样通过介质传播。实际上，这是有附带条件的。如果介质是导电的，则波无法传播出去，因为产生的电流会迅速消耗波的能量；相反，波可以通过非导电介质传播，因为这种介质不会产生电流。[3]这种介电材料包括水、空气和真空等。

麦克斯韦认识到，这种波是由相互垂直、不断振**的磁场和电场组成的，两者都垂直于波的行进方向。电场在强度上发生衰减时，衰减的电场会自动产生磁场；磁场的强度发生衰减时，衰减的磁场会自动产生电场。这个过程会一次接一次地持续下去，一旦开始，将永远在这种自我维持的电和磁的波动中进行下去。

根据麦克斯韦的理论，这种电磁波的速度只取决于两个参数：表征介质磁性能的磁导率和电性能的介电常数。前一个用来衡量介质对磁场有多大的增强作用，也就是介质的回复力；后一个用来描述介质对电场有多强的削弱能力，也就是介质的惯性。麦克斯韦知道，这两个量都可以通过真空实验测得。但整个夏天，他都被困在格伦莱尔，手头没有那本包含相关实验结果数据的参考书——那本书就在国王学院的图书馆里。所以，1862年10月的一个早上，麦克斯韦急着赶去国王学院，他甚至没有等到厨师端来早餐，就从肯辛顿大街跑去赶马车了。

伦敦的交通一直很糟糕，因此，在帕丁顿和法灵顿之间，一个全新的交通系统——伦敦地铁大都会线——正在建设中，麦克斯韦想不明白地下蒸汽火车的烟尘、蒸汽问题该怎么解决。然而伦敦是世界上从未有过的城市，地下铁路肯定不是大都市中唯一的大规模工程项目，与此同时，伦敦大都会工程委员会（MetropolitanBoardofWorks）的总工程师约瑟夫·巴扎尔吉特（JosephBazalgette）也在负责建造一个庞大的地下排水系统。

马车抵达滑铁卢桥附近时，麦克斯韦下了车。他闪避着斯特兰德大街上的行人，匆匆经过萨默塞特宫，来到国王学院。在图书馆里，麦克斯韦很快就找到了那本参考书和数据，这些数据都是德国物理学家威廉·韦伯和鲁道夫·科尔劳施在实验中得出的。把这些数据代入自己的理论，麦克斯韦得出了真空中电磁波的传播速度——193088英里秒（约310745千米秒）。

19世纪40年代末，法国物理学家希波吕特·费索（HipppolyteFizeau）对光速进行了实验室测量，得出的结果为每秒193118英里（约310793千米秒）；麦克斯韦的计算结果与这个数值太接近了，不可能是巧合。电和磁之间不仅有联系，电、磁和光之间也有联系!这是一个麦克斯韦事先并未预料到的非凡的发现，他的计算竟然证明了光是电场和磁场中的涟漪——电磁波，这太让人兴奋了。

事实上，在此之前，另一个人已经猜到了电、磁和光之间的联系，那个人就是法拉第。1845年9月下旬，法拉第把一块硼硅酸盐铅玻璃放在磁性很强的电磁铁的南北两极之间，让一盏油灯的光穿过玻璃。一打开电源，法拉第立即观察到了光的偏振变化。[4]他兴高采烈地在笔记本上写道：“我成功地磁化了一束光。”