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第2章 超链接世界的诞生——电磁波

钻石雨 马库斯·乔恩16118字2026-08-15

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”(actionatadistance)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》(ExperimentalResearchesinElectricity)。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。

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