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第2章 超链接世界的诞生电磁波（第3页）

法拉第旋转是磁对光有影响的无可争辩的证据，这表明光本身在某种程度上是有磁性的。而且，因为磁与电是相关联的，所以光在某种程度上也必然带电，这是合乎逻辑的。“我碰巧发现了磁和光之间有直接联系，电和光之间也是如此，”法拉第很有预见性地写道，“由此开辟的领域太广阔了，内容是如此丰富多彩。”[18]

独自待在地下室的实验室里，麦克斯韦想象着法拉第听到他证实了光和磁、电和光之间有联系后的反应，忍俊不禁。他是站在巨人的肩膀上才证明了这一点的，而且没有人比法拉第更高了。回到街上，麦克斯韦几乎没有注意到皮卡迪利大街上熙熙攘攘的人群，经过格林公园时还在思考这一发现的含义，他进入海德公园，朝九曲湖（SerpentineLake）走去。麦克斯韦答应过妻子凯瑟琳会及时回家，然后和她一起去巴塞斯特马厩。大多数下午，他们都会去骑马，麦克斯韦骑租来的马，妻子骑她那匹名叫查理的栗色矮种马，它是从格伦莱尔（Glenlair）通过火车长途运来的。二人通常绕着肯辛顿宫花园（KensingtonPalas）和海德公园骑行，他们最喜欢的还是老家那段从格伦莱尔到乌尔老桥的路，但在烟雾弥漫的伦敦市中心，现在这条路已经是最好的了。

麦克斯韦觉得亏欠凯瑟琳太多，虽然在凯瑟琳身体状况不佳时，他也经常照顾她，但是就在移居伦敦之前，麦克斯韦感染了严重的天花，多亏凯瑟琳的精心照看，他才死里逃生。凯瑟琳是麦克斯韦的科学助手，两人经常在伦敦住宅的阁楼里做实验。有一次，他们用一个8英尺（约2。4米）长的暗箱借助阳光成像，但由于暗箱像一口棺材而吓坏了邻居们，他们也因此被称为“疯子”。对于32岁的麦克斯韦来说，在伦敦的这段时间是他职业生涯中成就最大的时期。

麦克斯韦沿着巨大的九曲湖旁的人行道匆匆而行。九曲湖是一个人工湖，长达1千米。18世纪20年代，英国国王乔治二世为纪念他挚爱的妻子卡罗琳皇后（Queene）而修建了它。九曲湖的南岸为1851年世博会建筑旧址，水晶宫壮丽辉煌，是19世纪的建筑奇迹之一。这是一座玻璃—钢架结构的巨大建筑，为了保留原场地中的一些高大的古树，还在设计中增加了桶状的圆顶。查尔斯·罗伯特·达尔文（CharlesRobertDarwin）、夏洛特·勃朗特（CharlotteBronte）、查尔斯·狄更斯（CharlesDis）和阿尔弗雷德·丁尼生（AlfredTennyson）等名人都来这里参观过。世博会后，这座水晶宫被拆解，接着迁移到伦敦南部西德纳姆的彭杰庄园重新搭建起来。世博会旧址的西南面是被世人称为“阿尔伯特城”（Albertopolis）的文化中心区。起这个名字是为了纪念女王的丈夫阿尔伯特亲王（Pri），他刚刚于1861年12月去世。阿尔伯特亲王的计划是使这次伟大的博览会以博物馆和学术机构的形式，在这个区域留下一份持久的文化遗产。麦克斯韦曾多次参观新开放的南肯辛顿博物馆。[19]

一艘渡船正从九曲湖对岸的船屋附近经过，天鹅、野鸭和海鸥在船的周围飞翔。但麦克斯韦无心欣赏这一切，他的注意力都被天空中正在迅速变得暗淡的彩虹吸引住了，彩虹与他正在思考的问题密切相关。经过皮卡迪利大街时，麦克斯韦的脑子就被一个念头占据着：齿轮—珠子模型对电磁场的变化速度并没有限制，不管振动得多快，还是多慢，都可以。这可能意味着彩虹的颜色只显示了很小的频率范围。在可见光谱（visiblespectrum）两端之外，一定存在着比可见光的频率更高或更低的电磁场波动。通常人们认为彩虹有七种颜色，但是麦克斯韦意识到，除了这些颜色，一定还有肉眼看不见的数以百万计的“颜色”。这是一个非同凡响的、震撼人心的想法。

有那么一会儿，站在九曲湖畔的小路上，耳边虽充斥着海鸥的吵闹声，但麦克斯韦瞬间沉浸在法拉第式的现实场景中：他感到周围充斥着无尽的电磁场，一直延伸到已知宇宙的尽头。那些电磁场就像一片无垠的、看不见的、波涛汹涌的能量海洋，无数的电磁振动充满了所有空间。他——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦——是人类历史上第一个意识到这一点的人。

正如英国生物学家弗朗西斯·克里克（FrancisCrick）说的那样：“除非亲身经历过，否则很难描述当正确的想法猛然涌现时，那种突然顿悟的戏剧性。你马上就会发现，这个新假设巧妙地解释了许多以前令人费解的事实。现在看来这是多么不言而喻，你可能会自责为什么没有早点想到，然而在想到之前，一切都是迷雾。”[20]

麦克斯韦的脑子转得飞快。有人工制造电磁场振**的可能吗？有没有可能通过某种尚未发明的技术创造出看不见的电磁波？他看不出有什么理由不能这样做。因此，这一定是有可能的!但现在已经是傍晚，他不能再做白日梦了。麦克斯韦加快脚步，沿着蜿蜒的河岸，穿过马路，来到肯辛顿宫花园。在王宫花园8号[21]（8Palas）的前厅里，凯瑟琳已经穿戴好骑行装，等得有些不耐烦了。

1887年12月12日，德国卡尔斯鲁厄

海因里希·赫兹知道，有什么东西穿过了发射器和接收器之间的空间。根据麦克斯韦的理论，如果电磁波从发射器的断续火花中向外扩散，就像被扔进池塘的石头产生的扰动那样，电磁波应在接收器的导电回路中感应出电流，在接收器线圈的空隙中激发出新的火花。赫兹还不能完全确定正在发生的就是这种情况，但他想到了一个办法去验证。

事实上，这个方法实施起来并不容易，赫兹在助手朱利叶斯·安曼（JuliusAmman）的帮助下，花了近1个月的时间才准备妥当。现在，在实验室的两扇门之间有一块高4米、宽2米的导电锌板，它牢牢地固定在砂岩墙的正面。赫兹的想法是向锌板发送信号，并尝试用接收器接收反射信号。

这个想法并不新鲜。如果一束波被反射并沿原路传播回来，入射波和反射波就会相互干涉（interference）。当其中一列波的波峰与另一列波的波峰重合时，两列波就会增强；当一个波的波峰与另一个波的波谷重合时，两列波就会相互抵消。其结果是，在某些地方，波的振幅总是很大，而在另一些地方，振幅持续为零。这种驻波（standingwave）似乎冻结在空中，在摇晃晾衣绳时很容易看到这种现象。

赫兹慢慢地把接收器移向离发射器12米远的锌板，他惊讶地发现，移动过程中，火花会周期性地增强、消失，每隔3米重复一次。这正是驻波的特征，也就是赫兹想看到的现象。在赫兹和安曼建造的发射器中，电流伴随间隙中火花的闪烁，激发的电场则以5000万次秒的频率变化，辐射的电磁波波峰和波谷之间的距离为3米。

毫无疑问，赫兹是第一个人工制造出了麦克斯韦的不可见电磁波，并成功进行了探测的人。这些电磁波波长6米，这是电磁波完成一次全振**走过的距离。世界就此永久性地改变了。

当时，大多数科学家都对麦克斯韦的齿轮—珠子模型困惑不解，他自己也从未指望过有人会拿它当回事。对他来说，这个模型只不过是构建理论过程中的脚手架，并不是理论本身。1873年，麦克斯韦最终拆除了脚手架，完成了理论构建，只用数学方程来描述电场和磁场的行为。

麦克斯韦的4个电磁场方程非常著名，甚至今天仍有人把它们印在T恤衫上，还常常搭配着《圣经》中的那句：“要有光!”但实际上，麦克斯韦总共列出了20个方程来描述电和磁，并且方程中没有使用电场和磁场，而是使用了磁势和电势。1885年，英国电气工程师、物理学家奥利弗·哈维塞德（OliverHeaviside）将这20个方程简化，从而成为现在与麦克斯韦同名的缩写形式（不过，随着20世纪物理学的发展表明，麦克斯韦的原始方程才是最有用的）。只须对麦克斯韦方程组进行简单的变换，就能得到描述电磁波的波动方程。

麦克斯韦在很小的时候就表现出强烈的好奇心，不停地问周围的成年人“这是怎么回事”，当他们给出的答案不能让他满意时，他又会问：“这到底是怎么回事呀？”最终，麦克斯韦用电磁学方程发现了电和磁是“怎么回事”。

人们无从知道麦克斯韦最终征服电、磁和光时的感觉，只能靠想象。正如爱因斯坦在征服空间、时间和引力时所说：“在黑暗中寻找真理的岁月里，人们能感觉到但无法表达的，正是那种强烈的渴望以及信心与疑虑的交替，直到突破并且领悟，才画上句号。只有亲身经历过的人才知道，那是什么样的感觉。”

麦克斯韦方程组在许多方面都是标志性的。首先，也是最重要的，麦克斯韦方程组标志着人类对经验世界的看法发生了翻天覆地的变化。从牛顿那个时候开始，物理学家们就习惯了借助日常生活中常见的事物去类比基本物理世界，这也正是麦克斯韦想用齿轮和珠子做的事。但自从放弃了这个脚手架之后，麦克斯韦便获得了对宇宙更深刻的理解，那就是构成现实的电场和磁场在人们熟悉的日常生活中根本就没有可用于类比的东西，它们的本质只能通过数学来描述，数学才是自然界的基本语言。到了20世纪，物理学家们会越来越认可这个真理，因为他们逐渐认识到，引力是四维时空的曲率，原子及其组成只能用抽象的概率波来描述。正如爱因斯坦所说：“牛顿时代结束了，麦克斯韦时代到来了。”

麦克斯韦的电磁学理论也孕育了相对论。光速在电磁学理论中是绝对的，与光源或观测者的运动无关。这一事实促使阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出，光速是构建宇宙的基石，空间和时间不过是流沙。实际上，狭义相对论揭示了时间和空间仅仅是同一事物的不同方面，空间-时间是一个统一的实体。

通过解决存在于麦克斯韦理论中的核心悖论，狭义相对论使我们对这个理论的理解更深入。比如，依照电磁学理论，运动的电荷（例如电子）会产生磁场，从而也改变了其电场。[5]然而，假如有一个人能把自己缩小到电子那么小，然后跟电子一起运动，那会怎样呢？注意，此时相对于电子，这个人是静止的，所以他看不到磁场，只能看到电场。然而磁场怎么可能对一个人存在，而对另一个人不存在呢？只有一种方法可以摆脱这个悖论。爱因斯坦对待空间和时间的方法是，把它们看成同一事物——时空——的不同方面；我们也可以采取同样的方法，将电场和磁场看成电磁场的不同方面。你可以分别看到多少电场、多少磁场，多大空间以及多长时间都取决于你的运动速度。电磁场是个统一体，光速在其中也应该是相对的。

然而，可以说，麦克斯韦电磁学理论中最重要的部分是“场”的概念。这个概念由法拉第提出，但麦克斯韦给出了数学表述。

法拉第认识到，电磁场是不同于一般物质的新实体，可以在不同地点之间传递效应。他凭直觉认为，最好把电和磁看作通过场而不是通过带电体和电流传递的。当电流在导线中流动时，最重要的不是电流本身，而是在电流附近空间中伸展的场和磁力。将场的地位提升到超越一切的高度，是法拉第最伟大、最有远见的成就。法拉第预见了物理学的未来。

以现代观点来看，各种场，不仅是电磁场，还有电子场、上夸克场、希格斯场等，才是构成宇宙的终极实体。在这幅图景中，包括电磁力在内的基本力的存在只是为了服从所谓的局域规范不变性，我将在第8章中更详细地解释这一点。值得注意的是，历经几个世纪的实验和理论研究发现的一系列令人眼花缭乱的电磁现象只不过是这个极其简洁、普遍原理的结果而已。

麦克斯韦并没有在有生之年看到他的电磁学理论的预测在赫兹的实验中得到证实。尽管麦克斯韦不幸英年早逝，但他比赫兹寿命长。赫兹患上了一种罕见的疾病——韦格纳肉芽肿（Wegener'sgranulomatosis，WG），免疫系统会攻击血管，主要是攻击耳朵、鼻子、鼻窦、肾脏和肺部的血管。[22]尽管经历了几次手术和许多痛苦，赫兹还是于1894年1月1日死于败血症，当时他只有36岁。

1893年12月9日，在给父母的最后一封信中，赫兹写道：“如果有什么事情真的降临到我身上，你们也不必悲伤。相反，你们应该感到些许自豪，并把我看成被特别选中的人之一，虽然注定只能活很短的时间，但活得很有价值。”[23]赫兹不知道他的发现将会改变世界，使20世纪、21世纪的科学技术迅猛发展。当被问及他的发现有什么用时，赫兹说：“我想没什么用处。”当被多次追问时，他仍说：“一点儿用处都没有。这个实验只不过证明了麦克斯韦是正确的。”[24]

尽管赫兹未能预见到他的发现的用处，但他的发现还是不可逆转地改变了世界：收音机、电视、Wi-Fi、微波炉、雷达……由他的发现催生的技术数不胜数。其中就包括我们习以为常的超链接世界——这个空气中充斥着无数无形、无休止、纵横交错的“声音”的世界，诞生于1887年12月12日，德国卡尔斯鲁厄。

[1]自1825年以来，圣诞演讲一直鼓舞着儿童和成年人，这些讲座由迈克尔·法拉第发起。当时的年轻人缺乏有组织的教育，法拉第自己就做了19个系列讲座，建立了一种令人兴奋地向年轻人展示科学的新方式。

[2]令人惊讶的是，法拉第的父亲雅各布靠近马里波恩的铁匠铺，这个在法拉第的生活中占有重要地位的地方竟然没有牌匾。

[3]介电材料由一侧有净正电荷和另一侧有净负电荷的分子组成。通常在存在电场的情况下，正电荷将向电场方向移动，这导致分子沿着电场方向排列，这种极化分子的电场总是试图抵制和减少外电场。麦克斯韦将这种现象命名为电介质的极化，对应电荷的移动称为位移，相应的短暂电流叫位移电流。

[4]当麦克斯韦最终发现光是电磁波，振**电场与振**磁场成直角，且两者与波的运动方向成直角时，“偏振”是什么就很清楚了。对于正常光来说，电场（因此也是磁场）在任何平面上都是自由变化的。在正常光的混合波中，电场在所有可能的平面上变化。而极化光中的电场只在一个平面上振**，这个平面叫极化面。