英雄與危機(jī)使命

如果你不理解他們都干了什么，對物理學(xué)家保持不明覺厲、敬而遠(yuǎn)之的態(tài)度，你完全可以踏踏實(shí)實(shí)地過好這一生。

可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不愿意老老實(shí)實(shí)地享受歲月靜好了。你可能會(huì)“一見楊過誤終生”。

英國物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統(tǒng)一了電磁學(xué)。這個(gè)工作有多了不起呢？

是這么說的 ：

“從人類歷史的長遠(yuǎn)觀點(diǎn)來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電動(dòng)力學(xué)定律將被判定為19世紀(jì)最重要的事件。與這一重要科學(xué)事件相比，發(fā)生于同一個(gè)10年中的美國內(nèi)戰(zhàn)，將褪色而成為只有區(qū)域性的意義?！?/p>

這件事直接導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的創(chuàng)立。

整個(gè)過程好像是一個(gè)奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個(gè)大事件。因?yàn)檫@個(gè)大事件，人們就意識(shí)到這個(gè)世界有點(diǎn)不太對。

而你抓住這一點(diǎn)點(diǎn)不對，仔細(xì)追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進(jìn)入奇幻世界……

然后你就期待續(xù)集吧。

咱們先從尋常的物理現(xiàn)象說起。

我們在生活中能接觸到的物理現(xiàn)象其實(shí)就那么幾種。你搬運(yùn)東西、測量一個(gè)什么運(yùn)動(dòng)的速度，那是力學(xué)；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學(xué)；你家里的一切家用電器，幾乎都來自電磁學(xué)。

電磁學(xué)并不神秘。什么是電呢？電就是電荷之間的相互作用。

電子帶負(fù)電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個(gè)吸引力，而兩個(gè)電子或者兩個(gè)離子之間就有一個(gè)排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。

那什么是磁呢？磁來源于電，是電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁。一段導(dǎo)體中有電流，它周圍就會(huì)有磁性。像我們平時(shí)看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個(gè)原子周圍電子的運(yùn)動(dòng)帶來的磁力。

而如果用物理學(xué)家的眼光理解電磁現(xiàn)象，你必須得掌握一個(gè)概念，叫做“場”。

兩個(gè)電荷之間發(fā)生吸引，請問這個(gè)吸引力是怎么感覺到的呢？難道一個(gè)電荷*隔空*就能感到另一個(gè)電荷的存在嗎？這里邊可沒有什么“超距作用”。每個(gè)電荷都會(huì)在自己的周圍形成一個(gè)“電場”，另一個(gè)電荷不是跟這個(gè)電荷直接發(fā)生相互作用，而是跟這個(gè)電荷的電場發(fā)生相互作用?

圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實(shí)也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——

確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起，形成一個(gè)總的電磁場，然后各個(gè)帶電物質(zhì)根據(jù)自己所在位置的電磁場來決定自己怎么運(yùn)動(dòng)。

電磁場可不是物理學(xué)家的想象，而是客觀存在的東西，你完全可以用儀器探測出來。我記得愛因斯坦曾經(jīng)有一句話說，

“場，就好像我坐的這把椅子一樣真實(shí)?！?/p>

當(dāng)然現(xiàn)在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了。

好，現(xiàn)在是麥克斯韋出場。

麥克斯韋之前的物理學(xué)家已經(jīng)對電磁現(xiàn)象做過各種研究。特別是法拉第，在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)，變化的磁場能夠帶來一個(gè)電流，也就是說“磁能生電”。像這些電磁現(xiàn)象都很有意思，你完全可以編寫一本書，列舉科學(xué)家已有的電磁學(xué)知識(shí) —— 但是這些知識(shí)有點(diǎn)雜亂無章，就好像一本寫滿了各地風(fēng)土人情的菜譜。

麥克斯韋要做的事情，有點(diǎn)像是一位好學(xué)的武林高手，博采眾家之長，融會(huì)貫通之后，創(chuàng)立了自己的武學(xué)。

1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個(gè)方程，來描寫*所有的*電磁現(xiàn)象。這就是著名的麥克斯韋方程組，它們寫出來非常漂亮

前三個(gè)方程分別說的是

（1）電荷產(chǎn)生電場；（2）沒有磁荷；（3）變化的磁場也能產(chǎn)生電場。

第（4）個(gè)方程右邊的第一項(xiàng)說的是電流產(chǎn)生磁場，所有這些都是當(dāng)時(shí)已知的物理知識(shí)。

我們重點(diǎn)說說它的第二項(xiàng)。這一項(xiàng)就是麥克斯韋的獨(dú)特發(fā)現(xiàn)。一方面，是麥克斯韋考慮電和磁之間應(yīng)該有一個(gè)對偶的關(guān)系。那既然法拉第的實(shí)驗(yàn)證明變化的磁場能產(chǎn)生電場，變化的電場是不是也能產(chǎn)生磁場呢？另一方面，這一項(xiàng)也是讓方程組在數(shù)學(xué)上自洽、讓電荷數(shù)守恒的要求。這一項(xiàng)，就是說變化的電場也能產(chǎn)生磁場。

后來人們用實(shí)驗(yàn)證明麥克斯韋是對的。但是請注意，麥克斯韋這個(gè)發(fā)現(xiàn)純粹是理論推導(dǎo)出來的！這就好比說一個(gè)偵探，聽取了各方的信息之后突然就推斷出來一個(gè)人們意想不到的結(jié)論。而麥克斯韋用的僅僅是數(shù)學(xué)。

現(xiàn)在麥克斯韋知道 ：

* 變化的磁場能產(chǎn)生電場

* 變化的電場又能產(chǎn)生磁場

那首先你就能看出來，電和磁其實(shí)在某種程度上是“一回事兒”，電場和磁場可以互相產(chǎn)生，就算沒有電荷，用磁場也能產(chǎn)生電場。

但麥克斯韋緊接著想到，如果我用線圈弄一個(gè)震蕩的電流，產(chǎn)生一個(gè)周期變化的磁場，那么這個(gè)周期變化磁場就能產(chǎn)生一個(gè)周期變化的電場，而這個(gè)周期變化的電場又能產(chǎn)生新的周期變化的磁場……

以此類推，豈不是說這個(gè)電磁場可以一直傳播下去嗎？

這就是電磁波！二十多年以后人們真的在實(shí)驗(yàn)中制造了電磁波，給后世生活帶來巨大的影響，不過麥克斯韋在意的不是電磁波的實(shí)用價(jià)值。

麥克斯韋可以用他的方程組直接計(jì)算這個(gè)電磁波的傳播速度。他算出來電磁波速度，發(fā)現(xiàn)跟光速，它們的數(shù)值是一樣的！

光是有速度的。你打開一盞燈，光線不會(huì)瞬間傳播到宇宙的另一頭去。當(dāng)時(shí)的人已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中測量了光速。而且早在1801年人們就已經(jīng)知道光是一種波。但是人們并不知道光到底是怎么回事。

而現(xiàn)在麥克斯韋計(jì)算得出的電磁波的速度正好是光速，于是麥克斯韋大膽宣稱，光，其實(shí)就是電磁波。后來人們證實(shí)果然是這樣，我們平時(shí)所見的可見光無非就是特定頻率的電磁波而已。

天上的東西和地上是一回事兒，勻速直線運(yùn)動(dòng)和靜止是一回事，電和磁是一回事兒，而現(xiàn)在麥克斯韋說，光跟電磁場，其實(shí)也是一回事兒。

邏輯結(jié)構(gòu)就變得更簡單了。牛頓力學(xué)加上麥克斯韋電磁學(xué)，身邊的一切物理現(xiàn)象等于是都被理解了。

但是這個(gè)成就里邊有一個(gè)危機(jī)。

咱們先捋一捋麥克斯韋的發(fā)現(xiàn) ：

1. 他用四個(gè)方程概括了所有電磁現(xiàn)象；

2. 他發(fā)現(xiàn)變化的電磁場可以互相產(chǎn)生，從而推導(dǎo)出電磁波；

3. 他計(jì)算出電磁波的速度正好是光速，從而說明光其實(shí)就是電磁波。

現(xiàn)在我們知道了，光速，是電磁現(xiàn)象所要求的結(jié)果，是可以用數(shù)學(xué)計(jì)算出來的。

那好。請問，你麥克斯韋計(jì)算出來的這個(gè)光速? 是*相對于*誰的呢？

從邏輯角度，你不能脫離坐標(biāo)系（或者叫“參照系”）談速度。

你站在一艘快速行駛的船上，船的速度是每小時(shí)50公里。你在船上射出去一支箭，你平時(shí)射箭的速度是每小時(shí)100公里，那這個(gè)“每小時(shí)100公里”就是相對于船上的你來說的。

而相對于站在岸邊的我來說，箭的速度就應(yīng)該是每小時(shí) 50+100 = 150公里，對吧？速度都是相對的。

那麥克斯韋方程組解出來的光速是相對于誰呢？這個(gè)問題可以有兩種答案。

老百姓的直覺是，光速肯定是相對于光源的。你打開手電筒射出去一束光，那這個(gè)光速肯定是相對于手電筒啊 —— 但是這個(gè)說法很快就被物理學(xué)家給否定了。

宇宙中有一種“雙星系統(tǒng)”，就是兩個(gè)臨近的恒星互相繞著對方旋轉(zhuǎn)，誰也離不開誰。從我們這里觀察，就總有一顆恒星在向著我們運(yùn)動(dòng)，另外一個(gè)恒星向著我們相反的方向運(yùn)動(dòng)?

如果光速是相對于光源的速度，那么向我們走的這個(gè)恒星的光速就應(yīng)該更快一點(diǎn)，離我們而去的恒星的光速應(yīng)該更慢一點(diǎn) ——

這個(gè)速度差異并不大，但是因?yàn)殡p星距離我們十分遙遠(yuǎn)，星光到達(dá)我們需要的時(shí)間就很長，這一點(diǎn)點(diǎn)速度差異就足以讓我們觀察到兩顆星的星光有一個(gè)延遲。

可是天文學(xué)家觀測了各種雙星系統(tǒng)，從來都沒有看到任何延遲。兩個(gè)恒星的光速始終都是一樣的！

這說明光速跟光源的速度無關(guān)。

物理學(xué)家對此并不感到驚訝，因?yàn)殡姶挪ū緛砭褪敲撾x最早產(chǎn)生它的電荷和電流而獨(dú)立存在。波，畢竟不是射出去的箭。

物理學(xué)家設(shè)想，光其實(shí)是遍布宇宙空間的某種介質(zhì)的波動(dòng)，而光速就是相對于這個(gè)介質(zhì)的速度……可是當(dāng)時(shí)的人萬萬沒想到，這個(gè)解釋的問題更大。

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