麦克斯韦的发现

牛顿之后，我们对统一的理解的下一次重大飞跃是电和磁的统一，这发生在200年后的19世纪中期，美国内战时期。在那场毁灭性的战争中，美国陷入了混乱，大西洋两岸的科学世界也处于一个非常动荡的时期。欧洲正进行的实验表明了一个明白无误的事实，在某些情况下，磁性可以变成一种电场，反之亦然。

几个世纪以来，人们一直认为，磁力是控制海上领航员指南针的力，电力是产生闪电和走过地毯后触摸门把手时的触电的力，磁力和电力是完全不同的两种力。然而，到了19世纪中期，这种僵硬的分离分崩离析。科学家渐渐意识到，振动电场可以产生磁性，反之亦然。

这种效果很容易被证明。例如，简单地将条形磁铁推入线圈，线圈里会产生一个小的电流——变化的磁场产生了电场。同样，我们可以将这种局面反转，使电流流过该线圈从而在线圈周围产生磁场——变化的电场产生了磁场。

改变电场可以产生磁场和改变磁场可以产生电场的同一原理是使我们家庭有电的原因。在水力发电厂，水从大坝上落下至旋转连接到涡轮上的大轮。涡轮机里的大线圈在磁场中快速旋转，线圈在磁场中旋转运动时产生了电流。此后，这些电流通过几百英里长的电线进入了我们的家庭。因此，由大坝产生的变化的磁场被转换成电场，通过墙壁插座给家庭供电。

然而，在1860年，人们对这种效应还不能很好地理解。一个无人知晓的剑桥大学30岁的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）挑战了当时的主流思想，声称电和磁不是截然不同的力，而是同一枚硬币的不同的两面。事实上，他做出了那个世纪最惊人的发现，他发现这个观察能解开最神秘现象的秘密——光本身的秘密。

麦克斯韦知道，电场和磁场可以被可视化为渗透所有空间的“力场”。这些力场可以用从电荷发出的平滑的无限排列的“箭头”表示。例如，条形磁铁产生的力场像蜘蛛网一样伸入太空，并能诱捕附近的金属物体。

然而，麦克斯韦更进了一步。他认为，电场和磁场可以一起精确同步地振动，产生波，能在没有任何帮助的情况下独自旅行于太空。

人们可以想象以下场景：如果振动磁场产生一个电场，电场又振动产生另一个磁场，磁场振动再产生另一个电场，会发生什么？这样一个无限系列的振动电场和磁场本身运动，不是很像一个波浪吗？

如同牛顿引力定律，这个想法的实质简单且形象。例如，假设有一长串多米诺骨牌，打翻第一张多米诺骨牌会引发多米诺骨牌落下的浪潮。如果，这一行多米诺骨牌由两种类型组成，黑色和白色，带颜色的多米诺骨牌沿着这条线交替出现。此时，我们去掉黑色多米诺骨牌，只留下白色的，这个波将不能实现旅行。事实上，我们既需要白色多米诺骨牌，也需要黑色多米诺骨牌——白色和黑色多米诺骨牌相互作用，每一张都在翻转下一张，使多米诺骨牌落下的浪潮成为可能。

类似地，麦克斯韦发现，振动磁场和电场的相互作用产生了波浪。他发现，只靠电场或磁场的其中之一无法产生这种像波浪一样的运动，类似于仅有黑色或白色多米诺骨牌的情况。只有电场和磁场之间微妙的相互作用才能产生这个波。

然而，对大多数物理学家来说，这个想法似乎是荒谬的，因为没有“以太”帮助这些波传导。这些磁场是“脱离实体”的，没有传导介质，它们无法移动。

根据麦克斯韦的理论，光是由一致振荡的电场（E）和磁场（B）组成的。电场垂直振动，磁场水平振动。

然而，麦克斯韦并不气馁。他用自己的方程计算，他推导出了这个波的速度。令他吃惊的是，他发现这就是光速。不可避免的结论是，光被揭示出，只有一连串的电场变成了磁场。偶然地，麦克斯韦发现，他的方程解开了光作为电磁波的性质。因此，他是第一个发现了一个真正统一场论的人。

这是个了不起的发现，在重要性上可与牛顿对万有引力定律的发现并列。1889年，麦克斯韦死后10年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）通过实验证实了麦克斯韦的理论。在一次戏剧性的演示中，赫兹制造了一个电火花，并能产生一个在很远距离上可被探测的电磁波。正如麦克斯韦的预言，赫兹证明了这些自己传播的波，不需要“以太”。最终，赫兹的粗略实验发展为了我们今天称之为“无线电”的庞大产业。

由于麦克斯韦的开创性工作，从那时起，光被称为电磁力，是由电场和磁场迅速相互转换的振动产生。雷达、紫外线、红外线、无线电、微波、电视和X射线无非是电磁波采取的不同形式。（例如，当你收听自己喜欢的电台时，表盘上的指针指示99.5，表示无线电波包含的电场和磁场正以每秒9950万次的速度相互转化。）

不幸的是，麦克斯韦在提出这个理论后不久就去世了，他没能活到足够长的时间去深度探究自己创作的独特处。然而，敏锐的物理学家在19世纪60年代就注意到了麦克斯韦方程必然需要奇异的距离和时间的扭曲。他的方程式与牛顿的理论因描述空间和时间的方式不同而完全不同。对牛顿来说，时间脉冲在整个宇宙中均匀跳动，地球上的时钟和月亮上的时钟以同样的速度跳动。麦克斯韦方程预测，在某些情况下，时钟可能会变慢。

科学家们没有意识到，麦克斯韦的理论预测了放置在移动火箭船上的时钟应该比放置在地球上的时钟慢。起初，这听起来非常荒谬。毕竟，时间流逝的一致性是牛顿系统的基础之一。但是，麦克斯韦方程需要这种奇怪的时间扭曲。

半个世纪以来，科学家们忽略了麦克斯韦方程的这个奇怪的预测。直至1905年，一个物理学家终于明白且接受了麦克斯韦理论的这种深刻的时空扭曲。这个物理学家就是阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），他创造的狭义相对论改变了人类历史的进程。