第2章 超鏈接世界的誕生——電磁波
僅1小時之前，麥克斯韋的理論還隻是猜想，但現在，在國王學院圖書館查閱了參考書，確定了理論中的一些參數後，麥克斯韋已經非常肯定他知道了一些世界上從未有人知道的事情：什麽是光!
這個速度與光速如此吻合，看來有充分的理由斷定，光本身(包括熱輻射和可能存在的其他輻射)是以波動的形式在電磁場中按電磁規律傳播的一種電磁擾動。
——詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)
從人類曆史的角度長遠來看，比如說從現在算起一萬年以後，那時幾乎可以將麥克斯韋電動力學定律的發現判定為19世紀最重大的事件。
——理查德·費曼(Richard Feynman)[10]
1887年11月13日，德國卡爾斯魯厄
就在這一天，海因裏希·赫茲(Heinrich Hertz)匆匆吃完早飯，同妻子伊麗莎白(Elisabeth)和小女兒約翰娜(Johanna)吻別後，快步穿過卡爾斯魯厄的大街來到大學校園。他對今天要做的實驗信心十足。一到實驗室，赫茲立即拉下百葉窗，打開這幾天和助手朱利葉斯·安曼(Julius Amman)一直在搭建的振**電路。電流從兩萬伏特的感應線圈湧出時，赫茲聽到微弱的劈啪聲。起初什麽也看不見，直到眼睛適應了黑暗，赫茲才確信，在預留的7.5毫米氣隙中有時斷時續的火花在閃動。令赫茲滿意的是，發射器正在按預期工作，然後他轉向了接收器。
在工作台上距發射器1.5米遠的地方，赫茲豎起了一圈銅線。線圈上也留有一個很小的氣隙。他用螺絲把這個缺口盡可能調小，然後在昏暗的實驗室中眯起眼睛盯著那個缺口看。什麽都沒有發生。
赫茲回到了發射器那裏。由於電路的振**頻率非常高，火花在氣隙中來回閃爍的速度太快，已無法用肉眼觀察到任何閃動。在發射器氣隙的兩側各有一根1.5米長的導線，每根導線的另一端都放著一個直徑30厘米的鋅球。移動鋅球在導線上的位置，就可以改變電路的電容，從而改變火花閃爍的頻率。赫茲調節著鋅球的位置，同時仔細觀察著接收器，以便找到發射器與接收器之間的諧振頻率。他這樣反複試驗了好幾次，還是什麽都沒有發生。
赫茲繼續仔細調節鋅球在導線上的位置，每次隻調整幾毫米。整個上午，他都在這樣有條不紊地工作著，沉著耐心、從容不迫。終於有了一間自己的專屬實驗室，赫茲十分高興，這曾是他在柏林大學(the University of Berlin)時唯一的夢想。1885年之前，赫茲一直在柏林大學擔任德國著名科學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz)的助手。雖然有悖常理，但他很感激最近席卷德國的經濟蕭條，因為這次經濟大蕭條讓赫茲所在院係的學生數量銳減，這使得他可以專心致誌地投入到研究中。
赫茲又做了一次調整後，站了一會兒，捋著整潔的胡子，腦子裏閃過一個念頭：這真的有用嗎？此時，一種微妙的聲音引起了赫茲的注意。他捋胡子的手停了下來，皺起眉頭，在接收器旁蹲下去，仔細傾聽。
缺口很小，隻有百分之幾毫米寬，火花不大容易看到，卻較容易聽到。那裏有火花閃爍發出的聲音，沒錯，氣隙裏的確有火花!
赫茲關掉了振**器，接收器上的火花熄滅了；再次打開振**器時，火花又出現了。很明顯，有某種看不見的東西通過空氣，從發射器傳到了接收器!雖然還無法證明，但赫茲心裏清楚那是什麽。早在15年前，就已經有人預測了這種東西的存在!那是一位才華橫溢的蘇格蘭物理學家，然而很不幸，他已經英年早逝。
1862年10月，倫敦
秋雨初霽，天空晴朗，走出國王學院(King's College)，駐足在河濱聖母教堂(St Mary le Strand)的對麵，欣賞著雨後街道上積水的反光，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的心情無比舒暢，感覺好像是在天空中自由地飛翔。僅1小時之前，他的理論還隻是猜想，但現在，在國王學院圖書館查閱了參考書、確定了理論中的一些參數後，麥克斯韋非常肯定，他知道了一些世界上從未有人知道的事情：什麽是光!
一輛運草馬車上的車夫大聲地嗬斥著，將麥克斯韋從冥想中驚醒，他及時跳到了安全的地方，腳差點兒被沉重的車輪碾到。麥克斯韋沿著斯特蘭德大街(Strand Road)出發，一路上避讓著那些賣花、賣魚、賣水果的小販和流浪漢。雖然麥克斯韋習慣每天早上從肯辛頓(Kensington)的家步行4英裏(約6.4千米)到國王學院的圖書館，然後坐馬車回家，但今天，他迫切地想盡快趕到圖書館，所以反過來，坐車去，走路回。
麥克斯韋穿過特拉法爾加廣場(Trafalgar Square)，沿著帕爾購物中心東側，經過幹草市場，最後來到了皮卡迪利大街(Piccadilly Road)。麥克斯韋答應過妻子凱瑟琳，今天下午一起去海德公園(Hyde Park)騎馬。他原計劃直接回家，但來到阿爾伯馬爾大街時，一種強烈的衝動使他暫時拋開了與妻子的約會。麥克斯韋將繁忙街道的喧囂拋在身後，朝著那條街盡頭的皇家學會(The Royal Institution)走去。這座建築擁有新古典主義風格的門麵外觀和巨大的科林斯式壁柱。
邁克爾·法拉第(Michael Faraday)開創性的電磁實驗就是在皇家學會進行的。1825年，這位偉人也正是在此為人們做了那些著名的聖誕演講(Christmas Lectures)[1]。自1860年從阿伯丁(Aberdeen)搬到倫敦以來，麥克斯韋本人也在這裏做過多次演講。1861年5月，在一次成功的演講中，他在大屏幕上投射了一張格子呢緞帶的圖片，那是世界上第一張彩色“照片”。[11]
法拉第比麥克斯韋年長40歲，已經是一位71歲的老人了，由於身體狀況不佳，四年前他就退休回到了倫敦西南泰晤士河畔的漢普頓宮。法拉第偶爾還會去皇家學會坐坐，麥克斯韋希望能幸運地在那裏找到這位朋友並分享他的發現，但他運氣不佳。麥克斯韋得到了門衛的許可後，下了樓，來到地下室。在法拉第廢棄的磁學實驗室裏，他凝視著積滿灰塵的線圈、電池和化學試劑瓶，麥克斯韋十分清楚，要是沒有法拉第在這間屋子裏進行的實驗，他不可能有今天非凡的發現。
法拉第與麥克斯韋來自完全不同的社會階層。麥克斯韋是格倫萊爾莊園1500英畝(約607公頃)土地的繼承人，該莊園位於蘇格蘭南部鄧弗裏斯(Dumfries)附近的烏爾河穀。事實上，一天前，他就是從莊園那裏坐火車來倫敦的。相反，法拉第出身寒門，父親是窮得叮當響的鐵匠。[2] 14歲時，法拉第在牛津街附近的馬裏波恩(Marylebone)做裝訂工學徒。幾十年前，紐蓋特監獄(Newgate Prison)每次用馬車押送死刑犯到泰伯恩(Tyburn)行刑場上絞刑架時都要經過這條街。
法拉第的師父喬治·瑞博(George Ribeau)是胡格諾教派(Huguenot)的難民。瑞博曾鼓勵法拉第閱讀正在裝訂的書籍，其中許多都是科學著作。為了學到更多東西，法拉第參加了市哲學學會(the City Philosophical Society)的每周講座。學會的創始人是銀匠約翰·塔圖姆(John Tatum)，這些講座也都是他在多塞特街附近的家中舉辦的。法拉第被“應該相信自己能證明的東西”這種思想所啟發，他開始用自己微薄的工資能買得起的設備進行科學實驗。他還為塔圖姆的講座做了精美的插圖筆記，事實證明，這些筆記對改變法拉第的人生至關重要，因為師父瑞博把這些筆記拿給一位來他布蘭福德街48號店的顧客看了。
這位顧客就是建築師、藝術家喬治·丹斯(George Dance)，他的父親是皇家學會的成員。丹斯征詢了瑞博的同意後，把法拉第的筆記拿給自己的父親看。第二天，丹斯帶著一張入場券回到瑞博的店，讓法拉第參加漢弗萊·戴維(Humphry Davy)舉辦的係列講座。這份禮物就像羅爾德·達爾(Roald Dahl)的小說《查理和巧克力工廠》(Charlie and the Chocolate Factory)中的金獎券一樣，成為法拉第過上更好生活的通行證——盡管不是立刻見效。
戴維是當時最著名的英國科學家之一，發明了礦工安全燈[12]，發現了許多新元素，還和娛樂圈的明星一起發表演說。他的聽眾有一半是女性，傳說風度翩翩的戴維讓不少女性為之傾倒。第一次聽講座時，法拉第幾乎無法抑製自己的興奮。那天晚上，他發現自己置身一群喋喋不休的上流社會人士之中，在皇家學會搖曳的火盆燈下排隊恭候這位“英雄”的到來。
1812年，跟隨瑞博做學徒的生活臨近尾聲，21歲的法拉第謀得了一個專業職位——聽天由命地接受圖書裝訂的差事。似乎冥冥中自有定數，戴維因實驗室爆炸而導致暫時性失明，老丹斯讓法拉第過去幫忙。於是，法拉第成了這位自己心目中偶像的助手，度過了幾天美好的時光。
幫完忙之後，法拉第擔心從此與科學再無機緣。所以他想到了一個主意，利用當學徒時掌握的技能，把他在皇家學會做的演講筆記裝訂起來寄給了戴維。盡管希望渺茫，但在平安夜，法拉第還是收到了回信，戴維答應在新年裏給他一次麵試的機會。麵試如約進行，可戴維又說他那裏暫時不缺人，這讓法拉第很失望。然而，有一天，奇跡發生了，一輛馬車停在法拉第家門前，戴維的仆人帶來了一封信。信上說，前洗瓶工因為打架鬥毆而被解雇了，如果法拉第想要這份工作的話，那就是他的了。[13]
戴維是當時歐洲最偉大的科學家之一，不僅他的祖國——英國封他為爵士，就連當時與英國交戰的法國也授予他拿破侖獎(the Napoleon Prize)。但戴維最大的成就是雇用了邁克爾·法拉第。
後來法拉第成了戴維的助手，二人都對電十分著迷。戴維是電化學領域的開拓者，他用電化學技術分離出了九種化學元素，其中就包括鉀、鈉、鈣、鋇、鍶和鎂。
19世紀初，處於科學前沿的電學超出大眾的想象。在當時，電學看起來如此神秘、超自然，有些人甚至認為它是邪惡的。1781年左右，路易吉·伽瓦尼(Luigi Galvani)發現，電可以讓死青蛙的腿**。在這一發現的啟發下，早熟的18歲少女瑪麗·雪萊(Mary Shelley)於1818年創作了小說《弗蘭肯斯坦》(Frankenstein，又譯為《科學怪人》)。[14]在那個時代，電學最重要的進展是亞曆山德羅·伏特(Alessandro Volta)在1799年發明的電池。電池可以產生連續電流，使研究電成為可能。[15]
真正讓戴維和法拉第全力投入研究的是來自丹麥的驚人消息。1820年4月21日，漢斯·克裏斯蒂·奧斯特(Hans Christian Oersted)在哥本哈根大學講學時，偶然注意到，無論何時開通或切斷導線中的電流，羅盤指針都會偏離磁北極，並且指針的偏轉方式與羅盤靠近磁鐵時完全相同。這一發現毋庸置疑地說明，載流導線也是磁鐵。接下來，人們自然會猜測，這一發現能否用來解釋磁的起源呢？像鐵這樣的磁性物質內部是否存在不停流動的電流呢？以前從沒有人猜到電和磁之間存在著聯係。
1821年9月4日，法拉第巧妙地利用了奧斯特發現的效應進行了實驗。[16]就在地下室的這間磁學實驗室裏，法拉第用固定的磁鐵和可旋轉的載流導線，實現了導線繞著磁鐵的持續旋轉。盡管這個實驗因用到了一槽毒性很強的汞作為導電介質，這使它缺乏實際用途，但它驗證了電動機的原理。實際上，法拉第在前一天就發明了世界上第一台電動機，使用的是固定的導線和可旋轉的磁鐵，而不是固定的磁鐵和可旋轉的導線。
如果有可能的話，麥克斯韋一定會不惜一切代價，穿過車水馬龍的阿爾伯馬爾街趕到現場，親眼見證那塊磁鐵在一種無形力量的驅使下神秘地旋轉，就好像來自遙遠未來的某種不可思議的奇跡，通過時間隧道降臨在19世紀的倫敦。那天見證這一奇跡的不隻有法拉第，還有他14歲的侄子喬治(George)。當時兩人興奮地繞著實驗台手舞足蹈，之後還去看了一場馬戲，以示慶祝。
顯而易見的問題是：既然電流能產生磁，那麽磁能不能激發電流呢？直到1831年夏天，法拉第才找到答案。那時，戴維已經去世，法拉第接替他擔任了皇家研究所實驗室主任。
奧斯特發現電流的磁效應後不久，被稱為“電學中的牛頓”的法國科學家安德烈·瑪麗·安培(André-Marie Ampère)就發現，將導線繞製成圓柱形的螺線管可以提高磁效應。[17]螺線管的匝數越多，其磁效應越強；但相鄰的導線不能相互接觸，否則會發生漏電。這就需要在導線之間插入不導電材料，也就是我們常說的絕緣體。
法拉第因而轉向螺線管，嚐試用磁力生電。那時人們知道鐵能極大地增強螺線管的磁性，所以法拉第把鐵做成直徑為15厘米的環形，在鐵環的兩邊，用導線各繞了一個緊密的螺線管線圈。線圈中相鄰導線之間、層與層之間，以及線圈與鐵芯之間用布隔開。盡管這兩個線圈之間沒有電學連接，但法拉第預計，電流流過一個線圈把它變成磁鐵時，產生的磁“卷須”將通過空氣延伸到另一個螺線管線圈中。
法拉第合上開關，讓電流流過第一個螺線管線圈，令他高興的是，第二個線圈中出現了一股短暫的電流；然後他切斷了線圈的電流，另一股稍縱即逝的電流出現在第二個線圈中，但奇怪的是，這一次，電流流向相反的方向。這是一個劃時代的發現，法拉第成功地用磁生成了電。
後來法拉第找到了一種更簡單的方法來達到同樣的目的：隻要將條形磁鐵插入螺線管線圈中，當把磁鐵推進去時，電流流向一個方向；把磁鐵拉出來時，電流流向另一個方向。法拉第並不知道其中的原理，但他發現的電磁感應終有一天會改變世界，並將促進大規模發電的發電機的發展。
毫無疑問，電和磁之間存在著密切的聯係，但最基本的問題仍然懸而未決。電是什麽？磁是什麽？盡管這些謎團仍然困擾著法拉第，但經過那些開創性的實驗，他已經對電和磁是如何工作的有了一定認識，這引導著法拉第產生了一個激進的(在當時可被稱作“異端的”)想法。
當法拉第拿著鐵塊靠近磁鐵時，能真切地感受到磁鐵的吸力，於是，他得出結論，磁鐵周圍的空間中一定散布著某種看不見但真實存在的東西。當法拉第拿著用毛皮摩擦過的琥珀靠近碎紙時，琥珀吸住了細小的紙屑，他由此確信，電荷周圍的空間中也充斥著某種真實但看不見的東西。
在法拉第看來，磁鐵在周圍的空間裏建立起磁力場，而正是這個磁力場作用於金屬。類似地，帶電物體在周圍的空間中建立起電力場，而正是這個場作用於碎紙片。想象中，法拉第似乎可以看到這些磁鐵、電力場就像一陣風、一團霧，彌漫在空中。
以這種方式看待世界的隻有他一個人。在當時，人們都認為起主要作用的是電流，但法拉第堅信電力場才是關鍵。在他看來，電場存在於導線周圍的空間中，是能量的主要載體，導體隻是電場的引導者。電流僅僅是次級效應，是導體和電場相交的地方，由電場推動電荷的流動。
關於場的想法揭示了奧斯特和法拉第的發現中賞心悅目的對稱性。奧斯特發現的載流導線的磁效應，表明變化的電場會產生磁場；法拉第發現的電磁感應，表明變化的磁場會產生電場。
法拉第“場”的觀點之所以不被接受、被當作異端邪說，是因為艾薩克·牛頓的成功。這個有史以來最偉大的科學家已經非常成功地將萬有引力——另一種基本力——解釋成“瞬間”穿越太空的。根據牛頓的萬有引力理論，太陽的引力是直接作用於地球的，在太陽和地球之間不需要傳遞力的介質。當然，這種“瞬間發生的超距作用”(action at a distance)的想法是荒唐的。事實上，就連牛頓自己也說：“這隻是在建立可行理論時使用的一種假設而已。”不幸的是，後來的物理學家們如此拘泥於萬有引力理論，以至於忽視了牛頓本人的保留意見，轉而執著於超距作用的錯誤觀念。
盡管牛頓本人的思想與法拉第的觀點之間並不矛盾，但這對法拉第毫無幫助，因為科學界的其他人並不這樣想。法拉第遭到了人們的嘲笑，更令他感到羞愧的是，他是一個出身卑微、自學成才的人，幾乎不懂數學，而數學是受過大學教育的物理學家們的通用語言。
具有諷刺意味的是，正是因為法拉第缺乏數學知識，才使他擺脫了牛頓的束縛，或者說，至少是牛頓思想的束縛。也正是這種自由，使法拉第能夠在想象中“看到”遍布太空的電場和磁場，並憑借從這種想象中獲得的直覺，設計和開展別人想不到的實驗。
麥克斯韋幾乎是19世紀的數學物理學家中唯一認識到法拉第及其工作重要性的人。像法拉第一樣，麥克斯韋也對電和磁的難題產生了一種近乎癡迷的興趣。1854年2月，時年23歲的麥克斯韋在劍橋大學三一學院(Trinity College)完成研究生學業後，開啟了研究生涯。麥克斯韋向物理學家威廉·湯姆森(William Thomson)征求建議，閱讀什麽書籍才能弄懂令人迷惑的電磁現象。
後來成為開爾文勳爵的湯姆森正在參與一項雄心勃勃的計劃，即在大西洋海底鋪設英國和美國之間的電報電纜，這相當於當時的阿波羅計劃。盡管如此，他還是抽出時間向麥克斯韋推薦了法拉第於1838年出版的《電學實驗研究》(Experimental Researches in Electricity)。這部三卷本的專著對已知的關於電學的所有知識進行了總結，其中大部分都是法拉第自己的發現。麥克斯韋仔細研究了書中清晰的、非數學性的陳述，覺得自己與作者產生了共鳴。作為實驗者，法拉第有著極其敏銳的洞察力，在自己能夠證實之前，不接受先入為主的觀點。麥克斯韋深受感動，於是決定在將法拉第的著作完全讀懂之前，不讀任何基於超距作用觀點分析電現象的著作。
麥克斯韋對法拉第電場和磁場的觀點尤其感興趣。在一個簡單的演示中，法拉第將鐵屑撒在一塊條形磁鐵周圍，呈現的圖案表明，在磁鐵周圍的確散布著磁力“線”。當法拉第推介這個觀點時，其他科學家都嗤之以鼻，感覺非常可笑。但麥克斯韋反複做過這個簡單的實驗，他知道法拉第說的是對的。
顯而易見，麥克斯韋麵臨的挑戰是：如何用數學語言來表達法拉第的形象化描述。為此，麥克斯韋必須先依據法拉第的實驗，搭建一個精巧的模型，以便為法拉第的實驗賦予數學意義。這做起來並不容易。他一開始的想法是，磁場和電場看上去像流體，應該受流體流動的數學定律支配，在任何點上流動的速度和方向代表了力線的密度和方向。1857年2月，帶著些許不安，麥克斯韋給法拉第寄去了一份他的研究進展的初步報告，題為《論法拉第力線》(On Faraday's Lines of Force)。盡管麥克斯韋強烈地感覺到，他和法拉第是同道中人，但他不能確定這位長者是否也有同感。
其實麥克斯韋完全不必擔心，對於飽受同行奚落的法拉第來說，能收到一位劍橋大學畢業的物理學家的來信，而且如此看重他做過的實驗，這是他一生中最重要的時刻之一。法拉第回信給麥克斯韋說：“起初，我真的不敢相信能借助數學來討論這個話題，後來又驚奇地發現，這些東西竟然與數學規律吻合得那麽好。”
法拉第推測，就像磁力線那樣，應該也存在著引力線。在麥克斯韋來信的鼓舞下，法拉第征求麥克斯韋對引力線的意見。他知道，這個想法太奇特，勢必遭到其他科學家的嘲笑。麥克斯韋很重視這個觀點，給法拉第寫了一封經過深思熟慮的長信。法拉第在回信中說：“你的來信給我帶來了你的思維方式和習慣，這是我第一次和別人交流該主題。這將使我受益匪淺，我要反複閱讀、深入思考……我要記住你的話，因為這對我來說很重要……給了我很大的安慰。”
雖然年齡的懸殊阻礙了法拉第和麥克斯韋成為最親密的朋友，但他們相互尊崇。敢於挑戰學術權威是二人擁有的共同個性，如果沒有對方的支持，兩人都不可能取得各自的聲譽。就像法拉第一樣，麥克斯韋也嚐過被人羞辱的滋味。他在8歲時失去了母親，在格倫萊爾由父親獨自撫養長大。剛到久負盛名的愛丁堡學院的第一天，麥克斯韋就因為自己的外鄉口音、社交上的笨拙、自家縫製的鞋子和衣服而遭到同學們的嘲弄，他們稱麥克斯韋為呆瓜。
多年來，麥克斯韋一直在努力解釋法拉第的實驗結果。起初，他認為磁場和電場像流體，後來他設計了一個更好的模型，這個模型賦予了磁力一個非常奇怪的特性，悍然違背了牛頓主義者們所堅信的——兩個物體之間的作用力總是沿著它們之間的直線起作用。但奧斯特已經發現，磁力是環形的，當把羅盤懸掛在一根豎直載流導線旁邊時，指針並不指向導線，而是與導線成直角；而且，如果繞著導線改變羅盤的位置，指針總是會轉到與導線成直角的位置，磁力是環形的，像看不見的旋風一樣，繞著導線打轉。事實上，正是運用了這種旋風樣的力，法拉第發明了世界上第一台電動機。
在麥克斯韋新的精巧模型中，所有的空間，無論是空的，還是被物質占據的，都塞滿了能夠旋轉的微小齒輪。與磁體直接接觸的齒輪轉動，帶動鄰近的齒輪轉動，鄰近的齒輪又帶動遠處的齒輪轉動，依此類推。這樣，環形的磁力就穿過空間，從磁鐵傳到附近的金屬上。
但麥克斯韋在解釋自己的力學模型時，除了隱形的齒輪，他還設想了可以像軸承中的滾珠一樣沿著齒輪之間的通道移動的小珠子，這些珠子代表電流。事實上，麥克斯韋在不斷調整他的模型，以此來模擬更多真實世界的特征。例如，在試圖重現材料內部的磁性強度取決於材料本身這一事實的過程中，麥克斯韋想到材料內部的齒輪轉動的容易程度取決於材料的類型。最終，麥克斯韋讓他的齒輪變得有彈性，這樣就能讓齒輪在物體內部傳遞力時不損失能量。麥克斯韋在格倫萊爾完成新模型後，才和妻子凱瑟琳返回倫敦。在模型完成的那一刻，麥克斯韋意識到一件非常重要的事情：他炮製的齒輪和珠子的介質正好可以傳播波。
以池塘水麵上的波紋為例。雨滴濺落引起的擾動先是在水麵上形成一個臨時的凸起，接下來，這個凸起在回複力(restoring force)——重力——的作用下，向池塘的水平麵回落；因水有質量或稱慣性，使得凸起部分的下落越過水平麵，進而形成凹陷，整個過程會重複多次。當然，水是連續介質，擾動形成的振**不會一直停留在一個地方，而是會逐漸傳遞到附近的水麵。隨著時間的推移，進一步傳遞到更遠處的水麵。就這樣，一種波浪式的擾動以同心圓的形式，沿著池塘的水麵傳播開來。
麥克斯韋的齒輪和珠子的介質既有慣性也有回複力，因此，如果這種介質受到振動，類似漣漪的擾動，就會像池塘裏的波紋一樣通過介質傳播。實際上，這是有附帶條件的。如果介質是導電的，則波無法傳播出去，因為產生的電流會迅速消耗波的能量；相反，波可以通過非導電介質傳播，因為這種介質不會產生電流。[3]這種介電材料包括水、空氣和真空等。
麥克斯韋認識到，這種波是由相互垂直、不斷振**的磁場和電場組成的，兩者都垂直於波的行進方向。電場在強度上發生衰減時，衰減的電場會自動產生磁場；磁場的強度發生衰減時，衰減的磁場會自動產生電場。這個過程會一次接一次地持續下去，一旦開始，將永遠在這種自我維持的電和磁的波動中進行下去。
根據麥克斯韋的理論，這種電磁波的速度隻取決於兩個參數：表征介質磁性能的磁導率和電性能的介電常數。前一個用來衡量介質對磁場有多大的增強作用，也就是介質的回複力；後一個用來描述介質對電場有多強的削弱能力，也就是介質的慣性。麥克斯韋知道，這兩個量都可以通過真空實驗測得。但整個夏天，他都被困在格倫萊爾，手頭沒有那本包含相關實驗結果數據的參考書——那本書就在國王學院的圖書館裏。所以，1862年10月的一個早上，麥克斯韋急著趕去國王學院，他甚至沒有等到廚師端來早餐，就從肯辛頓大街跑去趕馬車了。
倫敦的交通一直很糟糕，因此，在帕丁頓和法靈頓之間，一個全新的交通係統——倫敦地鐵大都會線——正在建設中，麥克斯韋想不明白地下蒸汽火車的煙塵、蒸汽問題該怎麽解決。然而倫敦是世界上從未有過的城市，地下鐵路肯定不是大都市中唯一的大規模工程項目，與此同時，倫敦大都會工程委員會(Metropolitan Board of Works)的總工程師約瑟夫·巴紮爾吉特(Joseph Bazalgette)也在負責建造一個龐大的地下排水係統。
馬車抵達滑鐵盧橋附近時，麥克斯韋下了車。他閃避著斯特蘭德大街上的行人，匆匆經過薩默塞特宮，來到國王學院。在圖書館裏，麥克斯韋很快就找到了那本參考書和數據，這些數據都是德國物理學家威廉·韋伯和魯道夫·科爾勞施在實驗中得出的。把這些數據代入自己的理論，麥克斯韋得出了真空中電磁波的傳播速度——193 088英裏/秒(約310 745千米/秒)。
19世紀40年代末，法國物理學家希波呂特·費索(Hipppolyte Fizeau)對光速進行了實驗室測量，得出的結果為每秒193 118英裏(約310 793千米/秒)；麥克斯韋的計算結果與這個數值太接近了，不可能是巧合。電和磁之間不僅有聯係，電、磁和光之間也有聯係!這是一個麥克斯韋事先並未預料到的非凡的發現，他的計算竟然證明了光是電場和磁場中的漣漪——電磁波，這太讓人興奮了。
事實上，在此之前，另一個人已經猜到了電、磁和光之間的聯係，那個人就是法拉第。1845年9月下旬，法拉第把一塊硼矽酸鹽鉛玻璃放在磁性很強的電磁鐵的南北兩極之間，讓一盞油燈的光穿過玻璃。一打開電源，法拉第立即觀察到了光的偏振變化。[4]他興高采烈地在筆記本上寫道：“我成功地磁化了一束光。”
法拉第旋轉是磁對光有影響的無可爭辯的證據，這表明光本身在某種程度上是有磁性的。而且，因為磁與電是相關聯的，所以光在某種程度上也必然帶電，這是合乎邏輯的。“我碰巧發現了磁和光之間有直接聯係，電和光之間也是如此，”法拉第很有預見性地寫道，“由此開辟的領域太廣闊了，內容是如此豐富多彩。”[18]
獨自待在地下室的實驗室裏，麥克斯韋想象著法拉第聽到他證實了光和磁、電和光之間有聯係後的反應，忍俊不禁。他是站在巨人的肩膀上才證明了這一點的，而且沒有人比法拉第更高了。回到街上，麥克斯韋幾乎沒有注意到皮卡迪利大街上熙熙攘攘的人群，經過格林公園時還在思考這一發現的含義，他進入海德公園，朝九曲湖(Serpentine Lake)走去。麥克斯韋答應過妻子凱瑟琳會及時回家，然後和她一起去巴塞斯特馬廄。大多數下午，他們都會去騎馬，麥克斯韋騎租來的馬，妻子騎她那匹名叫查理的栗色矮種馬，它是從格倫萊爾(Glenlair)通過火車長途運來的。二人通常繞著肯辛頓宮花園(Kensington Palace Gardens)和海德公園騎行，他們最喜歡的還是老家那段從格倫萊爾到烏爾老橋的路，但在煙霧彌漫的倫敦市中心，現在這條路已經是最好的了。
麥克斯韋覺得虧欠凱瑟琳太多，雖然在凱瑟琳身體狀況不佳時，他也經常照顧她，但是就在移居倫敦之前，麥克斯韋感染了嚴重的天花，多虧凱瑟琳的精心照看，他才死裏逃生。凱瑟琳是麥克斯韋的科學助手，兩人經常在倫敦住宅的閣樓裏做實驗。有一次，他們用一個8英尺(約2.4米)長的暗箱借助陽光成像，但由於暗箱像一口棺材而嚇壞了鄰居們，他們也因此被稱為“瘋子”。對於32歲的麥克斯韋來說，在倫敦的這段時間是他職業生涯中成就最大的時期。
麥克斯韋沿著巨大的九曲湖旁的人行道匆匆而行。九曲湖是一個人工湖，長達1千米。18世紀20年代，英國國王喬治二世為紀念他摯愛的妻子卡羅琳皇後(Queen Caroline)而修建了它。九曲湖的南岸為1851年世博會建築舊址，水晶宮壯麗輝煌，是19世紀的建築奇跡之一。這是一座玻璃—鋼架結構的巨大建築，為了保留原場地中的一些高大的古樹，還在設計中增加了桶狀的圓頂。查爾斯·羅伯特·達爾文(Charles Robert Darwin)、夏洛特·勃朗特(Charlotte Bronte)、查爾斯·狄更斯(Charles Dickens)和阿爾弗雷德·丁尼生(Alfred Tennyson)等名人都來這裏參觀過。世博會後，這座水晶宮被拆解，接著遷移到倫敦南部西德納姆的彭傑莊園重新搭建起來。世博會舊址的西南麵是被世人稱為“阿爾伯特城”(Albertopolis)的文化中心區。起這個名字是為了紀念女王的丈夫阿爾伯特親王(Prince Albert)，他剛剛於1861年12月去世。阿爾伯特親王的計劃是使這次偉大的博覽會以博物館和學術機構的形式，在這個區域留下一份持久的文化遺產。麥克斯韋曾多次參觀新開放的南肯辛頓博物館。[19]
一艘渡船正從九曲湖對岸的船屋附近經過，天鵝、野鴨和海鷗在船的周圍飛翔。但麥克斯韋無心欣賞這一切，他的注意力都被天空中正在迅速變得暗淡的彩虹吸引住了，彩虹與他正在思考的問題密切相關。經過皮卡迪利大街時，麥克斯韋的腦子就被一個念頭占據著：齒輪—珠子模型對電磁場的變化速度並沒有限製，不管振動得多快，還是多慢，都可以。這可能意味著彩虹的顏色隻顯示了很小的頻率範圍。在可見光譜(visible spectrum)兩端之外，一定存在著比可見光的頻率更高或更低的電磁場波動。通常人們認為彩虹有七種顏色，但是麥克斯韋意識到，除了這些顏色，一定還有肉眼看不見的數以百萬計的“顏色”。這是一個非同凡響的、震撼人心的想法。
有那麽一會兒，站在九曲湖畔的小路上，耳邊雖充斥著海鷗的吵鬧聲，但麥克斯韋瞬間沉浸在法拉第式的現實場景中：他感到周圍充斥著無盡的電磁場，一直延伸到已知宇宙的盡頭。那些電磁場就像一片無垠的、看不見的、波濤洶湧的能量海洋，無數的電磁振動充滿了所有空間。他——詹姆斯·克拉克·麥克斯韋——是人類曆史上第一個意識到這一點的人。
正如英國生物學家弗朗西斯·克裏克(Francis Crick)說的那樣：“除非親身經曆過，否則很難描述當正確的想法猛然湧現時，那種突然頓悟的戲劇性。你馬上就會發現，這個新假設巧妙地解釋了許多以前令人費解的事實。現在看來這是多麽不言而喻，你可能會自責為什麽沒有早點想到，然而在想到之前，一切都是迷霧。”[20]
麥克斯韋的腦子轉得飛快。有人工製造電磁場振**的可能嗎？有沒有可能通過某種尚未發明的技術創造出看不見的電磁波？他看不出有什麽理由不能這樣做。因此，這一定是有可能的!但現在已經是傍晚，他不能再做白日夢了。麥克斯韋加快腳步，沿著蜿蜒的河岸，穿過馬路，來到肯辛頓宮花園。在王宮花園8號[21](8 Palace Gardens)的前廳裏，凱瑟琳已經穿戴好騎行裝，等得有些不耐煩了。
1887年12月12日，德國卡爾斯魯厄
海因裏希·赫茲知道，有什麽東西穿過了發射器和接收器之間的空間。根據麥克斯韋的理論，如果電磁波從發射器的斷續火花中向外擴散，就像被扔進池塘的石頭產生的擾動那樣，電磁波應在接收器的導電回路中感應出電流，在接收器線圈的空隙中激發出新的火花。赫茲還不能完全確定正在發生的就是這種情況，但他想到了一個辦法去驗證。
事實上，這個方法實施起來並不容易，赫茲在助手朱利葉斯·安曼(Julius Amman)的幫助下，花了近1個月的時間才準備妥當。現在，在實驗室的兩扇門之間有一塊高4米、寬2米的導電鋅板，它牢牢地固定在砂岩牆的正麵。赫茲的想法是向鋅板發送信號，並嚐試用接收器接收反射信號。
這個想法並不新鮮。如果一束波被反射並沿原路傳播回來，入射波和反射波就會相互幹涉(interference)。當其中一列波的波峰與另一列波的波峰重合時，兩列波就會增強；當一個波的波峰與另一個波的波穀重合時，兩列波就會相互抵消。其結果是，在某些地方，波的振幅總是很大，而在另一些地方，振幅持續為零。這種駐波(standing wave)似乎凍結在空中，在搖晃晾衣繩時很容易看到這種現象。
赫茲慢慢地把接收器移向離發射器12米遠的鋅板，他驚訝地發現，移動過程中，火花會周期性地增強、消失，每隔3米重複一次。這正是駐波的特征，也就是赫茲想看到的現象。在赫茲和安曼建造的發射器中，電流伴隨間隙中火花的閃爍，激發的電場則以5000萬次/秒的頻率變化，輻射的電磁波波峰和波穀之間的距離為3米。
毫無疑問，赫茲是第一個人工製造出了麥克斯韋的不可見電磁波，並成功進行了探測的人。這些電磁波波長6米，這是電磁波完成一次全振**走過的距離。世界就此永久性地改變了。
當時，大多數科學家都對麥克斯韋的齒輪—珠子模型困惑不解，他自己也從未指望過有人會拿它當回事。對他來說，這個模型隻不過是構建理論過程中的腳手架，並不是理論本身。1873年，麥克斯韋最終拆除了腳手架，完成了理論構建，隻用數學方程來描述電場和磁場的行為。
麥克斯韋的4個電磁場方程非常著名，甚至今天仍有人把它們印在T恤衫上，還常常搭配著《聖經》中的那句：“要有光!”但實際上，麥克斯韋總共列出了20個方程來描述電和磁，並且方程中沒有使用電場和磁場，而是使用了磁勢和電勢。1885年，英國電氣工程師、物理學家奧利弗·哈維塞德(Oliver Heaviside)將這20個方程簡化，從而成為現在與麥克斯韋同名的縮寫形式(不過，隨著20世紀物理學的發展表明，麥克斯韋的原始方程才是最有用的)。隻須對麥克斯韋方程組進行簡單的變換，就能得到描述電磁波的波動方程。
麥克斯韋在很小的時候就表現出強烈的好奇心，不停地問周圍的成年人“這是怎麽回事”，當他們給出的答案不能讓他滿意時，他又會問：“這到底是怎麽回事呀？”最終，麥克斯韋用電磁學方程發現了電和磁是“怎麽回事”。
人們無從知道麥克斯韋最終征服電、磁和光時的感覺，隻能靠想象。正如愛因斯坦在征服空間、時間和引力時所說：“在黑暗中尋找真理的歲月裏，人們能感覺到但無法表達的，正是那種強烈的渴望以及信心與疑慮的交替，直到突破並且領悟，才畫上句號。隻有親身經曆過的人才知道，那是什麽樣的感覺。”
麥克斯韋方程組在許多方麵都是標誌性的。首先，也是最重要的，麥克斯韋方程組標誌著人類對經驗世界的看法發生了翻天覆地的變化。從牛頓那個時候開始，物理學家們就習慣了借助日常生活中常見的事物去類比基本物理世界，這也正是麥克斯韋想用齒輪和珠子做的事。但自從放棄了這個腳手架之後，麥克斯韋便獲得了對宇宙更深刻的理解，那就是構成現實的電場和磁場在人們熟悉的日常生活中根本就沒有可用於類比的東西，它們的本質隻能通過數學來描述，數學才是自然界的基本語言。到了20世紀，物理學家們會越來越認可這個真理，因為他們逐漸認識到，引力是四維時空的曲率，原子及其組成隻能用抽象的概率波來描述。正如愛因斯坦所說：“牛頓時代結束了，麥克斯韋時代到來了。”
麥克斯韋的電磁學理論也孕育了相對論。光速在電磁學理論中是絕對的，與光源或觀測者的運動無關。這一事實促使阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出，光速是構建宇宙的基石，空間和時間不過是流沙。實際上，狹義相對論揭示了時間和空間僅僅是同一事物的不同方麵，空間-時間是一個統一的實體。
通過解決存在於麥克斯韋理論中的核心悖論，狹義相對論使我們對這個理論的理解更深入。比如，依照電磁學理論，運動的電荷(例如電子)會產生磁場，從而也改變了其電場。[5]然而，假如有一個人能把自己縮小到電子那麽小，然後跟電子一起運動，那會怎樣呢？注意，此時相對於電子，這個人是靜止的，所以他看不到磁場，隻能看到電場。然而磁場怎麽可能對一個人存在，而對另一個人不存在呢？隻有一種方法可以擺脫這個悖論。愛因斯坦對待空間和時間的方法是，把它們看成同一事物——時空——的不同方麵；我們也可以采取同樣的方法，將電場和磁場看成電磁場的不同方麵。你可以分別看到多少電場、多少磁場，多大空間以及多長時間都取決於你的運動速度。電磁場是個統一體，光速在其中也應該是相對的。
然而，可以說，麥克斯韋電磁學理論中最重要的部分是“場”的概念。這個概念由法拉第提出，但麥克斯韋給出了數學表述。
法拉第認識到，電磁場是不同於一般物質的新實體，可以在不同地點之間傳遞效應。他憑直覺認為，最好把電和磁看作通過場而不是通過帶電體和電流傳遞的。當電流在導線中流動時，最重要的不是電流本身，而是在電流附近空間中伸展的場和磁力。將場的地位提升到超越一切的高度，是法拉第最偉大、最有遠見的成就。法拉第預見了物理學的未來。
以現代觀點來看，各種場，不僅是電磁場，還有電子場、上誇克場、希格斯場等，才是構成宇宙的終極實體。在這幅圖景中，包括電磁力在內的基本力的存在隻是為了服從所謂的局域規範不變性，我將在第8章中更詳細地解釋這一點。值得注意的是，曆經幾個世紀的實驗和理論研究發現的一係列令人眼花繚亂的電磁現象隻不過是這個極其簡潔、普遍原理的結果而已。
麥克斯韋並沒有在有生之年看到他的電磁學理論的預測在赫茲的實驗中得到證實。盡管麥克斯韋不幸英年早逝，但他比赫茲壽命長。赫茲患上了一種罕見的疾病——韋格納肉芽腫(Wegener's granulomatosis，WG)，免疫係統會攻擊血管，主要是攻擊耳朵、鼻子、鼻竇、腎髒和肺部的血管。[22]盡管經曆了幾次手術和許多痛苦，赫茲還是於1894年1月1日死於敗血症，當時他隻有36歲。
1893年12月9日，在給父母的最後一封信中，赫茲寫道：“如果有什麽事情真的降臨到我身上，你們也不必悲傷。相反，你們應該感到些許自豪，並把我看成被特別選中的人之一，雖然注定隻能活很短的時間，但活得很有價值。”[23]赫茲不知道他的發現將會改變世界，使20世紀、21世紀的科學技術迅猛發展。當被問及他的發現有什麽用時，赫茲說：“我想沒什麽用處。”當被多次追問時，他仍說：“一點兒用處都沒有。這個實驗隻不過證明了麥克斯韋是正確的。”[24]
盡管赫茲未能預見到他的發現的用處，但他的發現還是不可逆轉地改變了世界：收音機、電視、Wi-Fi、微波爐、雷達……由他的發現催生的技術數不勝數。其中就包括我們習以為常的超鏈接世界——這個空氣中充斥著無數無形、無休止、縱橫交錯的“聲音”的世界，誕生於1887年12月12日，德國卡爾斯魯厄。
[1]自1825年以來，聖誕演講一直鼓舞著兒童和成年人，這些講座由邁克爾·法拉第發起。當時的年輕人缺乏有組織的教育，法拉第自己就做了19個係列講座，建立了一種令人興奮地向年輕人展示科學的新方式。
[2]令人驚訝的是，法拉第的父親雅各布靠近馬裏波恩的鐵匠鋪，這個在法拉第的生活中占有重要地位的地方竟然沒有牌匾。
[3]介電材料由一側有淨正電荷和另一側有淨負電荷的分子組成。通常在存在電場的情況下，正電荷將向電場方向移動，這導致分子沿著電場方向排列，這種極化分子的電場總是試圖抵製和減少外電場。麥克斯韋將這種現象命名為電介質的極化，對應電荷的移動稱為位移，相應的短暫電流叫位移電流。
[4]當麥克斯韋最終發現光是電磁波，振**電場與振**磁場成直角，且兩者與波的運動方向成直角時，“偏振”是什麽就很清楚了。對於正常光來說，電場(因此也是磁場)在任何平麵上都是自由變化的。在正常光的混合波中，電場在所有可能的平麵上變化。而極化光中的電場隻在一個平麵上振**，這個平麵叫極化麵。