麥克斯韋的發現

牛頓之后，我們對統一的理解的下一次重大飛躍是電和磁的統一，這發生在200年后的19世紀中期，美國內戰時期。在那場毀滅性的戰爭中，美國陷入了混亂，大西洋兩岸的科學世界也處于一個非常動蕩的時期。歐洲正進行的實驗表明了一個明白無誤的事實，在某些情況下，磁性可以變成一種電場，反之亦然。

幾個世紀以來，人們一直認為，磁力是控制海上領航員指南針的力，電力是產生閃電和走過地毯后觸摸門把手時的觸電的力，磁力和電力是完全不同的兩種力。然而，到了19世紀中期，這種僵硬的分離分崩離析。科學家漸漸意識到，振動電場可以產生磁性，反之亦然。

這種效果很容易被證明。例如，簡單地將條形磁鐵推入線圈，線圈里會產生一個小的電流——變化的磁場產生了電場。同樣，我們可以將這種局面反轉，使電流流過該線圈從而在線圈周圍產生磁場——變化的電場產生了磁場。

改變電場可以產生磁場和改變磁場可以產生電場的同一原理是使我們家庭有電的原因。在水力發電廠，水從大壩上落下至旋轉連接到渦輪上的大輪。渦輪機里的大線圈在磁場中快速旋轉，線圈在磁場中旋轉運動時產生了電流。此后，這些電流通過幾百英里長的電線進入了我們的家庭。因此，由大壩產生的變化的磁場被轉換成電場，通過墻壁插座給家庭供電。

然而，在1860年，人們對這種效應還不能很好地理解。一個無人知曉的劍橋大學30歲的蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）挑戰了當時的主流思想，聲稱電和磁不是截然不同的力，而是同一枚硬幣的不同的兩面。事實上，他做出了那個世紀最驚人的發現，他發現這個觀察能解開最神秘現象的秘密——光本身的秘密。

麥克斯韋知道，電場和磁場可以被可視化為滲透所有空間的“力場”。這些力場可以用從電荷發出的平滑的無限排列的“箭頭”表示。例如，條形磁鐵產生的力場像蜘蛛網一樣伸入太空，并能誘捕附近的金屬物體。

然而，麥克斯韋更進了一步。他認為，電場和磁場可以一起精確同步地振動，產生波，能在沒有任何幫助的情況下獨自旅行于太空。

人們可以想象以下場景：如果振動磁場產生一個電場，電場又振動產生另一個磁場，磁場振動再產生另一個電場，會發生什么？這樣一個無限系列的振動電場和磁場本身運動，不是很像一個波浪嗎？

如同牛頓引力定律，這個想法的實質簡單且形象。例如，假設有一長串多米諾骨牌，打翻第一張多米諾骨牌會引發多米諾骨牌落下的浪潮。如果，這一行多米諾骨牌由兩種類型組成，黑色和白色，帶顏色的多米諾骨牌沿著這條線交替出現。此時，我們去掉黑色多米諾骨牌，只留下白色的，這個波將不能實現旅行。事實上，我們既需要白色多米諾骨牌，也需要黑色多米諾骨牌——白色和黑色多米諾骨牌相互作用，每一張都在翻轉下一張，使多米諾骨牌落下的浪潮成為可能。

類似地，麥克斯韋發現，振動磁場和電場的相互作用產生了波浪。他發現，只靠電場或磁場的其中之一無法產生這種像波浪一樣的運動，類似于僅有黑色或白色多米諾骨牌的情況。只有電場和磁場之間微妙的相互作用才能產生這個波。

然而，對大多數物理學家來說，這個想法似乎是荒謬的，因為沒有“以太”幫助這些波傳導。這些磁場是“脫離實體”的，沒有傳導介質，它們無法移動。

然而，麥克斯韋并不氣餒。他用自己的方程計算，他推導出了這個波的速度。令他吃驚的是，他發現這就是光速。不可避免的結論是，光被揭示出，只有一連串的電場變成了磁場。偶然地，麥克斯韋發現，他的方程解開了光作為電磁波的性質。因此，他是第一個發現了一個真正統一場論的人。

這是個了不起的發現，在重要性上可與牛頓對萬有引力定律的發現并列。1889年，麥克斯韋死后10年，海因里?！ず掌潱℉einrich Hertz）通過實驗證實了麥克斯韋的理論。在一次戲劇性的演示中，赫茲制造了一個電火花，并能產生一個在很遠距離上可被探測的電磁波。正如麥克斯韋的預言，赫茲證明了這些自己傳播的波，不需要“以太”。最終，赫茲的粗略實驗發展為了我們今天稱之為“無線電”的龐大產業。

由于麥克斯韋的開創性工作，從那時起，光被稱為電磁力，是由電場和磁場迅速相互轉換的振動產生。雷達、紫外線、紅外線、無線電、微波、電視和X射線無非是電磁波采取的不同形式。（例如，當你收聽自己喜歡的電臺時，表盤上的指針指示99.5，表示無線電波包含的電場和磁場正以每秒9950萬次的速度相互轉化。）

不幸的是，麥克斯韋在提出這個理論后不久就去世了，他沒能活到足夠長的時間去深度探究自己創作的獨特處。然而，敏銳的物理學家在19世紀60年代就注意到了麥克斯韋方程必然需要奇異的距離和時間的扭曲。他的方程式與牛頓的理論因描述空間和時間的方式不同而完全不同。對牛頓來說，時間脈沖在整個宇宙中均勻跳動，地球上的時鐘和月亮上的時鐘以同樣的速度跳動。麥克斯韋方程預測，在某些情況下，時鐘可能會變慢。

科學家們沒有意識到，麥克斯韋的理論預測了放置在移動火箭船上的時鐘應該比放置在地球上的時鐘慢。起初，這聽起來非常荒謬。畢竟，時間流逝的一致性是牛頓系統的基礎之一。但是，麥克斯韋方程需要這種奇怪的時間扭曲。

半個世紀以來，科學家們忽略了麥克斯韋方程的這個奇怪的預測。直至1905年，一個物理學家終于明白且接受了麥克斯韋理論的這種深刻的時空扭曲。這個物理學家就是阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein），他創造的狹義相對論改變了人類歷史的進程。