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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)。只要我們有了描寫粒子運(yùn)動(dòng)的牛頓定律，我們就可以描寫所有物質(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)——場形態(tài)，而麥克斯韋方程正是描寫這種場形態(tài)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)方程。這種場形態(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形態(tài)的物質(zhì)存在？愛因斯坦給出了肯定的答案：引力相互作用對(duì)應(yīng)于另外一種場形態(tài)的物質(zhì)存在：引力波。而后來的量子力學(xué)又進(jìn)一步統(tǒng)一了這兩種物質(zhì)的存在形態(tài)：波(場)就是粒子，粒子就是波(場)。這就是幾百年來，物理發(fā)展的大線條。 ——文小剛
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，這些豐碑并沒有道出另一層隱情：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)教科書上都能找到它們的蹤影。 不過，對(duì)于這些方程是否問世于1864年的12月，目前尚存爭議，當(dāng)時(shí)麥克斯韋向倫敦英國皇家學(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，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)的問世時(shí)間。 時(shí)至今日，我們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到，可見光實(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和磁場所組成。我們知道，電和磁是密不可分的；變化的磁場產(chǎn)生電場，電流和變化的電場又會(huì)生成磁場。
我們必須感謝麥克斯韋讓我們掌握了這些基本見解。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。 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)家們可以開始利用連續(xù)的直流電展開研究。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，反過來磁鐵也能夠影響電。 這些觀察結(jié)果都屬于零碎的作用證據(jù)，沒有人能夠以系統(tǒng)或綜合的方式來真正理解它們。電流的實(shí)質(zhì)是什么？通電線圈如何在沒有直接接觸時(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的“電緊張態(tài)”，即我們今天所稱之為的場。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。法拉第猜測光本身也是一種電磁波。不過，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或磁場的問題。 但一系列的干擾中斷了麥克斯韋的工作。1856年，他在蘇格蘭亞伯丁（Aberdeen）的馬修學(xué)院（Marischal College）謀得了一份職位；接下來他又花費(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?；蛟S，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)穿過特定區(qū)域的電場在發(fā)生變化時(shí)如何產(chǎn)生磁場的描述方式，就像電流變化產(chǎn)生磁場那樣。在麥克斯韋的模型中，當(dāng)電場變化導(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，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)來回?cái)[動(dòng)，就好像被拴在繃緊的橡皮筋上。不過，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。 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將可衡量的電路特性與兩個(gè)常數(shù)聯(lián)系起來，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)，電場和磁場形成的難易程度。（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，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)的研究過程中他只是做了一些簡化）。在隨后的討論和論文中，他拋棄了原來的力學(xué)模型，但保留了位移電流的概念。通過深入的數(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、電流和磁場之間的相互關(guān)系。 不過在當(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)疑之聲甚至來自于麥克斯韋最親密的同事。最直言不諱的反對(duì)意見出自威廉·湯姆森爵士（Sir William Thomson），即后來的開爾文勛爵（Lord Kelvin）。這位當(dāng)時(shí)英國科學(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的真空中則又是另外一回事。缺少力學(xué)模型來描述這種環(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，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)測能力就足矣。 麥克斯韋同時(shí)代的研究者們亦察覺到了其理論存在的其他重大缺陷。舉例來說，麥克斯韋假定，振蕩的電場和磁場共同形成了波，但他并沒有描述這些波如何通過空間傳播。在當(dāng)時(shí)，所有已知的波動(dòng)都需要介質(zhì)來進(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)是無色、無味或無形的。 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)家來說，模型的缺失讓麥克斯韋的理論看起來不完整得令人痛心。 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)想就太過棘手了。為了簡潔地表述這些方程，我們需要一定的數(shù)學(xué)功底，而在麥克斯韋開展研究工作之時(shí)，這些數(shù)學(xué)知識(shí)還沒有完全成型。具體來說，我們需要運(yùn)用矢量微積分，它是一種書寫三維矢量微分方程的簡潔方式。 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）必須分開表述。此外，他還運(yùn)用了一些反直覺的參數(shù)。當(dāng)然，我們現(xiàn)在已經(jīng)習(xí)慣于電磁場的思考方式并運(yùn)用它們來解決問題。但麥克斯韋主要運(yùn)用的是另外一類場，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)想的電場和磁場。麥克斯韋或許已經(jīng)為這種場——即現(xiàn)在我們稱之為磁矢勢——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)，磁矢勢對(duì)于我們毫無用處。 這種復(fù)雜性所帶來的最終結(jié)果便是：當(dāng)麥克斯韋的理論首次亮相時(shí)，幾乎無人問津。 插圖來源：Lorenzo Petrantoni 不過，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，聽力部分殘疾，從未上過大學(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。“我越來越覺得它了不起，”他后來寫道?！坝谑俏蚁聸Q心讀透這本書，并馬上展開研究工作?！钡诙?，他便辭掉了工作，搬到父母家中，開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題展開了調(diào)查。他想解決這樣一個(gè)問題，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中？ 赫維賽德最終得出了一個(gè)已經(jīng)由另外一位英國物理學(xué)家約翰·亨利·波因廷（John Henry Poynting）公開發(fā)表過的結(jié)論。不過，前者顯然走得更遠(yuǎn)，在解決復(fù)雜的矢量微積分問題的過程中，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。 改寫的關(guān)鍵在于擯棄麥克斯韋奇怪的磁矢勢?！爸钡綄⑺械拇攀竸輶伒搅司畔鲈仆?，我才逐漸有了些眉目，”赫維賽德后來這樣說道。新的表述形式將電磁場置于了首要的中心地位。 此項(xiàng)工作所帶來的成果之一便在于，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如何產(chǎn)生電場（法拉第的發(fā)現(xiàn)），另一則方程則描述了變化的電場如何生成磁場（著名的位移電流理論，來自于麥克斯韋的補(bǔ)充）。 這種改寫亦帶來了一個(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)出的電場線。但磁場線卻不存在源頭：在我們的已知世界中，磁場線總是連續(xù)封閉的，既無起點(diǎn)，也無終點(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。不過到現(xiàn)在，還沒有人發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。 不過，磁流這種實(shí)用技巧依然可以用來解決帶有某些幾何性質(zhì)的電磁問題，譬如解釋穿過導(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）一書第一卷的序言中，赫維賽德親自做了解答。他寫到，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)改寫的必要性，不然我覺得這個(gè)后來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。撇開可見光的光速和電磁輻射的速度似乎相當(dāng)這一點(diǎn)不談，沒有任何實(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》一書的支持者，在麥克斯韋去世的前一年，他們結(jié)識(shí)于英國科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)（British Association for the Advancement of Science）在都柏林召開的一次會(huì)議上，此后這兩位物理學(xué)家便通過書信往來，展開了合作研究。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)生的輻射其頻率過低，以致于無法用肉眼感應(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到了電磁波，于是從阿爾卑斯度假一回來，他就計(jì)劃在英國科學(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。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經(jīng)傳的德國研究者——海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）。 從1886年開始，身處德國卡爾斯魯厄工業(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了研究工作。他注意到，當(dāng)通過一組線圈對(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始利用這類線圈中的閃光，來探測不可見的射頻波動(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)無線電波進(jìn)行了反射，并測量了所產(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。 赫茲通過測量其類似回路的發(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，再加上上面的波長數(shù)據(jù)，他就可以計(jì)算這種不可見波動(dòng)的傳播速度，該數(shù)值與已知的可見光傳播速度十分接近。 奇妙的無線電：海因里希·赫茲利用線圈（左側(cè)）和天線（右側(cè)）生成并探測到了可見范圍之外的電磁輻射。（圖片來源：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)宇宙中的不可見電磁波都擁有類似可見光的行為，它們?cè)谟钪嬷械膫鞑ニ俣纫才c可見光相同。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科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)。很快，赫茲的工作又啟發(fā)了無線電報(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)致起初不受待見的場論，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
* 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 |
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