法拉第：电磁场的发现与贡献

1791年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）出生于伦敦南部，他的父亲是个铁匠，来自约克郡。他14岁便离开学校成为一名装订工学徒，因此，他全靠自学成才。1811年，来自康沃尔的科学家汉弗莱·戴维爵士（Sir Humphry Davy）在伦敦做了一次演讲，法拉第把讲座笔记寄给了戴维，戴维对法拉第的勤奋印象深刻，于是任命他为科学助理，法拉第因此获得了进入科学领域的机会。后来法拉第成为19世纪的科学巨人，并被公认为有史以来最伟大的实验物理学家。据说，戴维曾宣称法拉第是他最伟大的科学发现。

21世纪的科学家时常用羡慕的眼光回顾19世纪初的科学。那时，法拉第不需要与欧洲核子研究中心的其他1万名科学家和工程师合作，也不需要将一台双层巴士大小的太空望远镜发射到地球高轨道，就可以获得重大的发现。帮助他直接瓦解绝对时间的“欧洲核子研究中心”，小到可以被安放在长凳上。几个世纪以来，那些不需要先进仪器测量的自然科学领域已经被细致地研究过了，这使得科学规模发生了彻底的变化。今日，尽管仍有重要的科学发现由简易的实验装置做出，然而前沿研究的突破则更多地依赖复杂的仪器设备。在维多利亚时代早期，法拉第打破时间假象所使用的无非是线圈、磁铁和指南针，这些仪器可就地取材，也不昂贵。像其他科学家一样，一旦认定自己喜欢做的事情，他便开展工作，收集实验证据。实验室内，煤气灯昏暗，把线圈斑驳的影子投到漆黑的长凳上，他在一堆装置中仔细观察着，四处忙碌着。那时，托马斯·爱迪生还没改良电灯泡，还没有实用的电灯，让观众眼花缭乱的电灯演示，戴维本人也仅仅在1802年皇家研究所做过。在19世纪早期，电学还是物理和工程的前沿科技。

法拉第发现，当移动磁铁穿过闭合电线圈时，线圈内会产生电流。他还观察到当电线通有电流时，电线附近的罗盘指针会发生偏转。由于指南针是一种由磁铁做的探测设备，通常情况下，它沿着地磁场方向指向北极。因此，电流会产生类似地磁场的场，当导线通有电流时，周围磁场变强，使罗盘指针瞬间发生偏转。法拉第认识到电和磁虽然表面上完全不相关，但是实际上有某种深层次的联系。这种联系并不明显。打开客厅墙上的开关，灯泡中有电流流过，这与把磁性冰箱贴粘在冰箱上的力有什么联系呢？但通过对大自然的仔细观察，法拉第最终发现电流产生磁，移动的磁铁产生电流。现在我们把这两个简单的现象称为电磁感应，它是发电机和电动机的物理基础。从冰箱原理到DVD播放机光碟“弹出”的原理，生活中我们到处应用到了它。法拉第对工业世界的发展做出了无法估量的贡献。

然而，基础物理学的进步很少全部由实验取得。为了解实验结果背后的机制，法拉第问道，既然磁铁没有接触导线，导线中怎么会产生电流？一股电流又怎么能使指南针指针发生偏转？有某种作用因素必然在磁铁、导线和指南针之间的空隙中传递，这使得线圈感受到通过的磁铁，指针感受到流经的电流。这种因素现在被称为电磁场。我们提到地磁场时用到了“场”这个词，它在日常用语中容易被忽略。然而，作为一个抽象的物理学概念，场在深入理解物理世界时起着不可替代的作用。同时，场方程是描写多达几十亿个亚原子粒子行为的最有效方程。这些亚原子粒子^[7]组成了我们的手，手中的书和看书的眼睛等。法拉第用一组线来形象地表示场，这些线由磁铁和通电导线发出，他称之为磁力线。把铁屑撒到纸上，纸下面放上磁铁，就能看到这些线条。若要举个例子来说明一个物理场，那么每天房间里的温度分布就再好不过了。靠近暖气片的地方，会很热，靠近窗户的地方要冷一些。对房间里每一个地方的温度进行测量，并把大量的测量数据填到一个表格里，就有了一个温度场的表示。同样对于磁场，可以根据磁针的偏转确定房间里的磁场分布。相比温度场，亚原子粒子场更加抽象，它在空间某一点的值表示在该点发现它的概率。我们将在第七章回到这些问题。

为什么要煞费苦心地引入如此抽象的概念呢？使用电流的强弱和指针偏转这些可直接测量的物理量不是更好？与工业革命中许多伟大的实验科学家和工程师一样，法拉第是个非常务实的人，场的想法对他来说具有巨大的吸引力。他的初衷是构想一幅把磁铁和线圈连接起来的机械图像，磁场恰恰是这样的物理连接体，起着桥梁的作用，因此，他深信场的存在。还有一个更深层次的原因让现代物理学家认为磁场就像电流和罗盘偏转一样真实，证明了场的不可或缺。苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的工作是加深对这一问题理解的关键。1931年，在麦克斯韦诞生一百周年之际，爱因斯坦将麦克斯韦的电磁学理论描述为“自牛顿时代以来物理学所经历的最深刻和最富有成果的工作”。1864年，法拉第去世前三年，麦克斯韦成功地写出了一组方程式，描述了法拉第和其他许多人在19世纪上半叶仔细观察和记录的所有电磁现象。

在探索自然界的过程中，方程是物理学家最有力的工具。大多数人在求学阶段常常觉得方程很可怕，所以我们有必要停一停，多谈几句，以便打消部分读者的忧虑。当然，并不是所有人都会对数学有这样的感觉，那些自信满满的读者，希望他们多些耐心，不要觉得没有必要。简单来说，方程可以预测实验结果，从而避免亲自去做实验。举一个最简单的例子，就是与直角三角形边长有关的勾股定理。后面，我们会使用勾股定理证明时间和空间的许多难以置信的性质。勾股定理是指“斜边的平方等于另外两边的平方和”。它的数学表达式为x²+y²=z²，其中，z是直角三角形的最长的边——斜边——的长度，x和y是其他两边的长度。如图1所示，符号x、y和z用来代替各边的实际长度，x²是x乘以x的数学表达式，例如，3²=9、7²=49等。我们没必要一定要使用x、y和z，可以使用我们喜欢的符号，如把勾股定理写成，其中，用笑脸来表示斜边的长度。接下来，我们给一个勾股定理的应用实例。如果直角三角形两条短边分别长3厘米和4厘米，那么根据该定理和3²+4²=5²，三角形斜边的长度为5厘米。当然，当长度不是整数时，定理同样成立。我们还可以设计一个实验，用尺子测出三角形斜边的长度，这会有点枯燥。相比毕达哥拉斯^[8]写下的方程式，省去了实验的麻烦，我们只需通过简单计算就可以得到三角形第三条边的长度。对于物理学家来说，更重要的是方程还表达了“事物”之间的关系，实现了对现实世界的精确描述。

麦克斯韦方程组具有相当复杂的数学形式，但本质上发挥了同样的作用。例如，如果你不需要看指南针，而只需根据这组方程就可以知道通电电线附近指南针指针的偏转方向。更神奇的是，它们还揭示了物理量之间的深层联系，这些联系一般从实验结果中是看不出来的，这加深了人们对自然的理解。法拉第描述的电场和磁场是麦克斯韦数学方程组表达的核心。麦克斯韦不得不用场的语言写下他的方程式，因为这是将法拉第及其同事观察到的所有电磁学现象整合到一个统一方程组的唯一方法。与勾股定理描写三角形边长之间的关系一样，麦克斯韦方程给出了电荷、电流以及它们产生的电场和磁场之间的关系。让场走向舞台并占据舞台的中心，是麦克斯韦的天才创举。比如，如果你问麦克斯韦为什么电池会使电流在电线中流动，他会回答道：“因为电池会在电线中产生电场，而电场驱动着电流流动。”或者，如果你问他为什么指南针在磁铁附近偏转，他会回答道：“因为磁铁周围有磁场，是磁场导致了指南针偏转。”如果你问他为什么移动的磁铁会导致电流在线圈内流动，他会回答说：“线圈内有一个由不断变化的磁场产生的电场，是这个电场使电流流动的。”每一种截然不同的现象的解释都可以追溯到电场和磁场，或者磁场之间的相互作用。物理学中经常引入新的统一概念，给许多不同的、表面上不相关的现象一个更简单和更令人满意的解释。这是科学成功的密码。麦克斯韦给了所有电磁现象一个简单、统一的图像。也就是说，它使得法拉第及其同事的所有开创性的实验都能够被预测和理解。单这一点就是一项了不起的成就。但麦克斯韦在构造方程的过程中，发生了更了不起的事情。它在方程中加入了一个没有实验强制要求的额外部分，因为在他看来，完全有必要使他的方程在数学上保持一致。这句话是对现代科学方法的一个最深刻、最神秘的见解。经验表明，物体的运动可由基本的数学定律预测，这些定律不比毕达哥拉斯计算三角形性质时所用的多多少。1960年，诺贝尔奖得主、理论物理学家尤金·维格纳（Eugene Wigner）写了一篇题为《数学在自然科学中的不合理有效性》（The Unreasonable Effectiveness of Mathematics in the Natural Sciences）的著名文章。他在文章中写道：“自然规律的存在完全是不自然的，对它们，人所能够发现的要少得多。”经验告诉我们，自然界拥有规律，事物按照规律运行，数学是表述这些规律的最精妙语言。这允许我们利用数学的一致性并结合实验结果去书写物理规律。在科学史上，这样的例子屡见不鲜，在本书的故事中，类似的情况也时有发生。确实如此，这为宇宙增加了更多的奥妙。

让我们从对数学方程的分析中出来，回到故事中来。为了寻求数学的一致性，麦克斯韦在描述罗盘指针偏转的方程式中加入了额外的一项，他称之为位移电流。对于法拉第的观察，位移电流是没有必要的，也就是说无论方程有没有位移电流，实验数据都可以被预测。然而，通过简单增加这一项，麦克斯韦优美的方程式所给出的远不止起初电动机的工作原理，这是超出他的预期的。有了位移电流，电场和磁场之间就产生了深刻的联系。具体来说，新的方程可以通过变换，给出一个波动方程，这种方程描述波的运动，如，声音在空气中传播，海浪向海岸靠近等。麦克斯韦对法拉第实验（有关电线和磁铁的实验）的数学描述预言了某种波的存在，这是出人意料的结果。但是，与海浪是在水中传播的扰动和声波是空气分子的运动不同，麦克斯韦的波包含振荡的电场和磁场。

这些神秘的振动场是什么呢？随着法拉第在导线中产生电流，就会有一个慢慢增强的电场产生，同时，导线周围也会产生磁场（法拉第观察到导线附近罗盘指针发生偏转）。按照麦克斯韦的说法是变化的电场产生变化的磁场。法拉第还告诉我们，推动磁铁穿过线圈，线圈周围磁场发生变化，就会伴有电场产生，同时在导线中产生电流。按照麦克斯韦的说法是变化的磁场产生变化的电场。现在，假如移除电流和磁铁，那就只剩下场本身了，这时一个变化的场产生另一个，彼此起伏，相互交替。麦克斯韦的波动方程描述了这两个场是如何振动着联系在一起的。它们还预测到这些波必须以特定的速度传播，这一速度由法拉第测量的物理常数确定。声波的波速大约是330米每秒，比客机只快一点点。声波在空气中传播，声速是由空气分子之间相互作用决定的。它随着大气压力和温度的变化而变化，压力和温度分别反映了空气分子之间的间距和碰撞速度。麦克斯韦还预言了电磁波的波速，它等于电场和磁场的比值。这个物理量很容易测量。比如，磁场强度可由两个磁铁间的相互作用力来确定。本书中会经常出现“力”这个词，它是指推拉物体时推拉的强度，可以被测量和量化。理解世界如何运作，显然也要理解力的产生机制。此外，当两个物体充电后，电场强度也可以通过测量这两个带电物体间的力来简单确定。你可能不经意间就遭遇了一个“充电”过程。比如，一个干燥的日子里，当走过尼龙地毯后，手抓金属门把手，去开门时，你会被电一下。电子经过摩擦从地毯传导鞋底，然后制造了这场令人不快的开门事件。和法拉第实验中的现象一样，你一旦带电，就与门把手之间产生了电场，它在你手抓门把手时，产生电流，击中你。

通过以上简单的实验，科学家测量了电场和磁场的强度。然后依据麦克斯韦方程组，通过强度的比值给出波的速度。那么，法拉第的实验测量和麦克斯韦天才般的数学演绎给出的电磁波波速是多少呢？我们来到了故事的第一个关键节点，这个关键点展示了为什么物理学是一门美丽、强大又深刻的学科。麦克斯韦的波以299792458米每秒的速度传播。令人意想不到的是：这就是光速。麦克斯韦偶然发现了光的本质^[9]。电磁场以一个可测量的速度（使用一个线圈的电线和磁铁）穿越黑暗，进入眼睛，让你看到了周围的世界。麦克斯韦方程组打开了大门让光进入我们的故事，它的重要性丝毫不亚于爱因斯坦的发现。我们将在下一章讲到，299792458米每秒，这一特殊的恒定速度曾促使爱因斯坦抛弃绝对时间的观念。

细心的读者会感到疑惑，或者认为得出以上的结论略显仓促。根据第一章的内容，没有参照物的速度显然是没有意义的。麦克斯韦方程组没有涉及任何参照物。在麦克斯韦的方程组中，光速是电场和磁场强度的关系，是一个常数。这一优美的方程组没有包含波源或接收器的速度。虽然麦克斯韦和他的同时代人认识到这一点，但他们并不为此担忧。因为，当时大多数科学家（并非全部）相信，包括光波在内的所有波都必须在某种介质中传播。因此，对光波来说，一定有某种“真实存在的东西”起到介质的作用。因此，他们是法拉第式的实用主义者，对他们来说，波动需要物质的支撑才能发生。例如，水波只能在有水的情况下存在，声波只能在空气或其他物质中传播，但肯定不能在真空中传播。“在太空中，没有人能听到你的尖叫。”

19世纪末，主流的观点认为光通过一种被称为以太的介质传播。光速是相对于以太的速度，这非常自然地解释了麦克斯韦方程组中出现的速度。类似于声波在空气中传播，若空气恒温恒压，那么声音的速度恒定，它由空气分子相互作用决定，与波源无关。

然而，以太稀奇古怪。光从太阳发出，在空间中穿行，到达地球，抵达遥远的恒星，甚至跨越星系，以太渗透于整个空间之中。大街上，你穿行于以太之中，地球围绕太阳运动，穿越以太年复一年。物体穿过以太运动，还不受阻力。甚至，像恒星这样大的物体也是这样。假如以太对物体运动产生了阻力，地球就会像滚珠轴承掉进蜜中一样，在公转轨道上不断减速，以至于50亿年来，每年的长短将不断改变。所以，唯一合理的假定是地球甚至所有物体都能畅通无阻地通过以太。这也使得以太几乎不可能被发现。但维多利亚时代的实验物理学家具有非凡的创造力，从1881年开始，阿尔伯特·迈克尔逊（Albert Michelson）和爱德华·莫利（Edward Morley）做了一系列奇妙的高精度实验，并着手探测难以探测的以太。这些实验的构思并不复杂。1925年，罗素写过一本相对论的书，他把地球在以太中的运动比作人在风中行走，有时逆风，有时顺风。对地球来说，它和太阳一起围绕银河系中心在以太中运动，同时又围绕太阳公转。类似人在风中行走，地球在一年的某个时候一定会逆着以太风运动，而在另外某个时候，它会顺着以太风运动。即便假定太阳系相对于以太静止，地球也会因绕太阳运动而产生以太风，这就像在一个风平浪静的日子，你把头伸出车窗外，也会感到清风拂面。迈克尔逊和莫利给自己定了挑战的目标，即在一年内的不同季节对光速进行测量。和所有人一样，他们坚信由于地球相对于以太运动，不同时段测量的速度一定有变化，虽然变化幅度很小。迈克尔逊和莫利花了6年时间完善了一种干涉测量技术，这是一种极其灵敏的测量技术。1887年他们发表了研究结果，结果显示在一年中的任何时候，在任何方向上都没有观察到光速的差别。结果与预期不符。

如果以太学说是正确的，迈克尔逊和莫利的测量结果就很难解释。例如，若你在河水中以5千米每小时的速度向下游游去，而河水以3千米每小时的速度流动，那么相对于河岸你游动的速度是8千米每小时。相反，你若掉过头来，向上游游去，那么相对于河岸你游动的速度是2千米每小时。在迈克尔逊和莫利的实验中，情形与此相似，只不过游泳者是光，河流是以太，而河岸是静止在地球表面上的迈克尔逊和莫利的实验装置。这样，我们就可以明白为什么迈克尔逊—莫利的实验结果会令人惊讶了。就好像无论你是向河流的上游游动，还是向下游游去，你相对河岸的速度总是5千米每小时，无论水流多么湍急。

迈克尔逊和莫利没能检测到以太。也许我们应该大胆地抛弃以太的概念，这是对直觉的又一个挑战。原因和我们在第一章抛弃绝对空间的概念一样，即以太没有可以观察的效果。此外，以太是一个相当笨拙的哲学概念，它给宇宙一个基准来定义绝对运动，这与伽利略的相对运动原理冲突。1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，迈出抛弃以太的勇敢的一步。从历史看，他似乎只是模糊地意识到迈克尔逊和莫利的实验结果，因此，放弃以太仅仅是爱因斯坦的个人观点。(www.xing528.com)

但精妙的哲学并不能指导自然的运作，归根结底，拒绝以太的最好理由是它解释不了实验结果^[10]。

虽然拒绝以太既和谐美丽，又有实验数据支持，但会引起一个严重的问题，即麦克斯韦方程组非常准确地预测了光速，却不能给出光速测量的方法。让我们基于这组方程，运用智力，看看能得到什么结论。如果得到无稽之谈的结论，那么返回尝试另一种假设，以此做一些令人满意的科学研究。麦克斯韦方程组预测，光总是以299792458米每秒的速度运动，却没有考虑到光源的速度或接收器的速度。这些方程式表明，无论光源和接收器相对于彼此移动的速度有多快，光速的测量值总是相同的。麦克斯韦方程告诉我们光速是自然界的常数。这是一个令人奇怪的断言，我们需要多花点时间来探讨它的含义。

打开手电筒，发出的一束光，常识告诉我们如果跑得足够快，我们可以追上光束，到它前面去。而如果我们以光速奔跑，光束将缓慢前进，触手可及。但根据麦克斯韦方程组，无论我们跑得多快，光束仍然以299792458米每秒的速度从我们身边飞去。因此，若追光人看到的光速，与手电筒发出的光速不同，便与迈克尔逊和莫利的实验结果以及和麦克斯韦方程组的推论相矛盾。光速是自然界的常数，是恒定的数值，与其源头或观察者的运动状态无关。依据常识，我们应该拒绝、修改或者重新解释麦克斯韦方程组，把它们看成更好理论的一个近似。这不是一个很好的选择，因为真实的实验测量与麦克斯韦方程中出现的3亿米每秒的数值偏差很小。这个偏差小到不可能在法拉第的实验中被发现。另一种选择是接受麦克斯韦方程组的有效性和我们永远追不上光束的奇异命题。这个想法不仅违背常识，还促使我们抛弃绝对时间的观念，我们将在下一章中给予揭示。

无论对19世纪的科学家还是今天的我们，打破对绝对时间的依恋都是很难的一件事情。我们有一个由强烈的直觉支撑着绝对空间和绝对时间。这是它们很难被推翻的原因，但我们应该清楚直觉毕竟是直觉。牛顿的物理学规律完全接受了这些概念，这些规律仍然是今天许多工程师工作的基础。在19世纪，牛顿的物理学规律不可撼动。法拉第在皇家研究所揭示电和磁的工作原理的时候，伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔（Isambard Kingdom Brunel）^[11]正主持修建从伦敦到布里斯托尔^[12]的大西部铁路^[13]。布鲁内尔的杰作克利夫顿吊桥^[14]于1864年完工，同年麦克斯韦完成了他对法拉第工作的总结，并揭开了光的奥秘。8年后，布鲁克林大桥^[15]通车。1889年，埃菲尔铁塔^[16]在巴黎高高矗立。蒸汽时代所有伟大的成就都是用牛顿的概念设计和建造的。牛顿力学远不止是抽象的数学。标志着它成功的事物正在全球范围内拔地而起，不断扩大，庆祝人们掌握了自然法则。因此，不难想象，当面对麦克斯韦方程组及其对牛顿世界观基础的潜在攻击时，19世纪末那些深信绝对时间的科学家心中的那种震惊。20世纪破晓，光速恒定被认为是物理学上空的一朵乌云，它仍在警示人们：麦克斯韦和牛顿不可能都是对的。直到1905年，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）才最终证明大自然站在麦克斯韦一边，当时他还是一位毫无名气的物理学家。

[7]亚原子粒子是指比原子尺寸还小的粒子，如电子、光子、质子、中子等。

[8]人们通常认为毕达哥拉斯是第一个严格证明勾股定理的人。

[9]光的本质就是电磁波。

[10]自从迈克尔逊和莫利以来，很多人试图继续检测以太，但都没有结果。（原书注，本书若无此注明，皆为译注）

[11]伊桑巴德·金德姆·布鲁内尔是一名英国工程师，皇家学会会员。主持修建了大西部铁路、系列蒸汽轮船和众多的重要桥梁。

[12]英国英格兰西南部的一个城市，距离伦敦120英里。

[13]大西部铁路也称作英国大西部铁路线，连接伦敦与英格兰西南部、西南部英国和威尔士，是英国铁路建设史上的著名工程。

[14]克利夫顿吊桥跨越英国的克利夫顿埃文峡谷（Avon Gorge），是世界上最早的大跨径悬索桥之一。

[15]布鲁克林大桥横跨美国纽约州纽约东河，连接着纽约的布鲁克林区和曼哈顿岛，1883年5月24日正式交付使用。

[16]埃菲尔铁塔矗立在塞纳河南岸法国巴黎的马尔斯广场，于1889年建成，是当时世界上最高的建筑物。