熱質說終于在1866年左右走到了盡頭，因為麥克斯韋和玻爾茲曼（Ludwig Boltz—mann，1844—1906）各自用不同的方程式描述氣體的行為，其完善性超過前人。麥克斯韋說，氣體的溫度并不反映氣體所有分子的運動速率是均勻的，它反映的是這些運動在所有方向和所有速度上的平均統計值。他解釋說，當氣體加熱時，分子運動得更快，互相碰撞也就更多，而碰撞增加了氣體的壓強。

麥克斯韋妖

1871年，麥克斯韋發明了一個小精靈——后來就叫做麥克斯韋妖——用來說明熵和氣體中熱運動論的統計性質。想象有一個二室的房子，氣體均勻地分布在兩室里。兩室之間只有一個活動門相通。正如麥克斯韋的理論所描述的，兩室中的氣體分子，有些運動得很慢，有些則很快。當分子走過時，精靈抓住慢的把它送到另一室，又把另一室的快分子抓住通過活動門送到第一室。用這一方式，最后第一室將充滿熱（運動快的）分子，而第二室充滿冷（運動慢的）分子。如果精靈真的存在（當然是不可能的），加熱一間房子就可以不要任何能量。

物理學經過了70年的時間，研究熱的本質及其與其他能量形式的相互關系，這才擺脫了18世紀的熱質說。基于原子論的威力并且通過運用數學和模型以及仔細的實驗，這才獲得兩個永恒的原理，從而為熱力學機制提供了更為扎實深刻的認識。

磁、電和光

1819年，整個歐洲都在用電流做實驗，這時奧斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851）正在哥本哈根大學教授物理課。他也不例外，在一次課堂演示中，他拿起一根通電導線，讓它靠近一枚磁針。長期以來，關于電和磁的關系一直存在種種猜測。奧斯特也許猜想到了電流和磁鐵相互間會有某種效應。果然他是對的。

這是一種突然瞬時的反作用，磁針晃動了，不過不是沿著電流的方向，而是與電流方向垂直。奧斯特改換電流的方向，磁針再次晃動。不過這次方向相反，但仍然與電流方向垂直。

奧斯特第一次在學生面前演示電與磁之間存在的聯系，從而打開了一項新研究領地的大門：電磁學。后來證明，這是19世紀最有成效的領域之一。

一個古老的奧秘

電與磁的研究都可追溯到16世紀柯徹斯特的吉爾伯特的工作。吉爾伯特最先引入電力、電吸引和磁極這些名詞。在1600年出版的《論磁》中，他論述了自己的研究，因此，人們普遍認為他是電學研究的奠基人。

17世紀，蓋里克設計了一個可以產生靜電的機器，1745年，馬森布洛克（Pieter vanMusschenbroek，1692—1761）和克萊斯特（Ewald won Kleist，1700—1748）獨立發現了萊頓瓶原理。不僅在科學上，而且在日常生活中，對電的興趣普遍高漲，富蘭克林對電的極性、電與磁的關系、電對熔融金屬的能力等方面作了廣泛的研究。

然而，在伏打發明伏打電池以前，還沒有辦法產生連續穩定的電流，所有的電源都是靜態的。在伏打之前，電可以儲存，但一瞬間就放電完畢（常常表現為強大的電擊形式）。

但是，19世紀卻迎來了電學上的偉大突破。一旦用上了電力，不僅會改變人們的生活方式，而且通過對電、磁以及它們關系的新認識，將會產生新的強大理論，從而改變人們對宇宙的看法。沿著這一方向，一位名叫法拉第的年輕人首先邁出了巨大的步伐。

偉大的實驗家法拉第

法拉第是科學史中最讓人崇拜和尊敬的人物之一，不同于他的同事們，他既沒有受過什么教育，也沒有閑暇時間。作為英國一位鐵匠十個孩子中的一個，除了去學校學會讀書寫字，法拉第從來就沒敢奢望進大學。12歲時，他就開始自己謀生，學校生涯就此結束。但是有些人往往有強烈的好奇心，他們不可法拉第遏止地要探尋這樣一些問題，諸如：世界是什么組成的，或者為什么人們以這種方式行事，或者是什么使事物運轉。法拉第就是這樣一位具有不倦好奇心的人物。他還交了一點好運：找到一份在裝訂廠里當學徒的工作，就在他為書籍裝訂封面的同時，還貪婪地閱讀書中的文字。他讀了《大英百科全書》（Encyclopaedia Britannica）中關于電的文章和拉瓦錫的《化學基礎論》。他還讀了（并裝訂了）簡·馬舍特（Jane Marcet，1769—1858）的《化學談話》（Conversations on Chemistry），這本書在19世紀初是一本廣泛流傳的通俗讀物。

隨后另一個好運降臨法拉第生活。一位顧客送給法拉第幾張票，是皇家研究所戴維的四次演講票。法拉第極為高興，對那四次講座的全部內容都作了詳細記錄，他把這些記錄裝訂好后送給戴維，并附上一封希望在研究所當助手的申請書。幾個月后，戴維果然給法拉第提供了這份工作。戴維的一個同事說，“讓他洗瓶子吧，如果他確實不錯，他會接受這份工作；如果他拒絕，那他什么事情也干不成。”這一工作的薪金比法拉第訂書的工資要少，但這個機會他正求之不得呢。

不久，戴維在1813年訪問歐洲，隨身帶上法拉第作為秘書和科學助手。盡管戴維的夫人把法拉第當做仆人，但這位年輕人從無怨言，而是利用這個機會見到了科學界的關鍵人物，其中包括伏打、安培（André-Marie Ampère，1775—1836）、蓋呂薩克（Josep Louis GayLussac，1778—1850）、阿拉哥（Arago，1786—1853）、洪堡（Alexander von Humbokit，1769—1859）和居維葉。他們在歐洲各地旅行，從一個實驗室到另一個實驗室，完成各種實驗，參加各種演講，在這個過程中，法拉第接受了他從未有過的教育。

1815年，他們返回英國，法拉第正式成為實驗室助理，負責皇家研究所的礦物收藏和儀器主管。他成了戴維在實驗室里的得力助手，因為他靈巧、內行并且投入，經常從早上9點一直工作到晚上11點。幾個月后，他的工資增加為年薪100英鎊，這一年薪一直保持到1853年。

當法拉第讀到奧斯特1820年做的實驗后，他和科學界其他人一樣，感到非常興奮。奧斯特的磁針顯示，電流不是像大家想的那樣，沿著直線從導線的一端流向另一端，而是圍繞著導線。巴黎的安培證實了這一思想，他證明，如果兩根載流導線平行放置，其中一根處于可隨意運動的狀態，當兩根導線電流方向一致時，它們互相吸引；如果電流方向相反，則互相排斥。

法拉第自己動手做了一個簡單的實驗。1821年9月，他演示了“電磁旋轉”，讓載流導線圍繞著一塊固定的磁鐵旋轉，同時又讓磁鐵圍繞一根固定的載流導線旋轉。這是第一個原始的電動機。

遺憾的是，戴維因此而對法拉第生氣了，他聲稱法拉第竊聽了戴維與沃拉斯頓（William Hyde WoUaston，1766—1828）的談話，因為談話中涉及類似的實驗。法拉第承認他也許受到談話的啟示，但是他的裝置有實質上的不同，沃拉斯頓和歷史也都承認這一點。

無論如何，這也許是法拉第最不足道的發現，他正在醞釀更大的發現。1822年，法拉第在他的筆記本中寫道：“把磁轉變為電。”奧斯特用電產生磁（磁針反映了磁力），為什么逆過程不可能發生呢？

法拉第從安培和另一位物理學家斯圖根（William Sturgeon，1783—1850）提出的設想開始著手。他先是準備一個鐵環，鐵環的一部分用線圈纏繞，合上電鍵即可引入電流。鐵環的另一部分也纏繞線圈，然后連接到電流計。他想第一個線圈的電流也許會在第二個線圈中引起電流。電流計可以測量第二個電流并顯示結果。

這一想法真的成功了——這正是第一個變壓器——但是結果讓人有點吃驚。盡管在鐵環中有穩定的磁力，但在第二個線圈中卻沒有穩定的電流通過。取而代之的是，僅當法拉第閉合線路時，第二個線圈才會出現瞬時電流——電流計跳了一下。然后當他再次切斷線路時，又產生了瞬時電流，標志是電流計又跳了一下。

由于法拉第不懂數學，他只能形象地解釋這一現象，并且提出磁力線這一概念。他注意到，如果在紙片上撒有鐵屑，上面放一塊強磁鐵，輕輕敲擊，鐵屑就會沿著他所謂的磁力線呈現出某種模式。他想象電流形成某種磁場，從源頭向所有方向輻射。當他在實驗中合上線路時，力線輻射出去，而第二個線圈則切割了這些力線。這時，第二個線圈里就有感應電流。當他斷開線路時，力線“收縮”，第二個線圈又切割了力線，從而再次生成感應電流。他還研究了條形磁鐵的力線、像地球一樣的球形磁鐵的力線和載流導線的力線。這是自從伽利略和牛頓提出機械論宇宙以來，第一次以一種更富創造力的新眼光來看待宇宙，這就是場理論的出現。

1831年，法拉第在皇家研究所的一次大型普及講座中，用另一種方法演示了力線。他拿起一個線圈，把磁鐵插入線圈中。與線圈相連的電流計指針開始晃動，當磁鐵的運動停止時，晃動也停止。當他把磁鐵取出時，電流計又有顯示。磁鐵在線圈里面運動，也有顯示。如果把線圈移過磁鐵，電流計也會顯示。但是如果磁鐵在線圈中靜止不動，電流計就沒有電流。法拉第發現了電磁感應原理。也就是說，他發現通過機械運動與磁的結合可以產生電流。這就是發電機的基本原理。［另一位物理學家，美國的亨利（Joseph Henry，1797—1878）也精彩地演示了這一相同的思想，但是他沒有及時發表。于是，一心專注于工作的法拉第獲得了發現權的榮譽，對此亨利欣然接受］

當然，法拉第下一步的目標就是建造一臺能夠產生連續電流的發電機，而不是實驗中那種斷斷續續的感應電流。為此他做好一只銅盤，使其邊緣在永久磁鐵兩極間通過。當銅盤轉動時，會產生電流，引出電流就可派上用場。通過水輪或蒸汽機推動輪盤轉動，流水的動能或者燃料燃燒后的能量就轉變成了電能。今天的發電機與法拉第的原始裝置已經大不一樣，經過50多年的改進它才投入實際應用，但它無疑是迄今最重要的電學發現。

從孩提時代起，法拉第就對自然力和自然現象的相互聯系與統一性有深刻的信念，他承認，他在1844年發表的場理論和他對磁、電和運動的相互聯系性的探討，都是圍繞這一信念而展開的工作。1845年11月5日，他在皇家學會宣讀的論文《論光的磁化和磁力線的啟示》一開頭寫道：

“我長期持有這一觀點，幾乎就是一種信念，就和許多自然知識愛好者一樣：我相信，物質的作用力雖然形式不同，卻有共同的淵源；或者，換句話說，它們是如此直接聯系和相互依賴，以至于它們都是相互可轉化的，并在其作用中擁有同等的能力。”

起初，沒有多少人重視法拉第的場理論，但是法拉第對自然統一性的信念被焦耳、湯姆生、亥姆霍茲、克勞修斯和麥克斯韋以多種方式在以后幾十年的工作中得到證實。

與此同時，法拉第和戴維之間的關系繼續惡化。隨著時間流逝，戴維不得不承認法拉第正在超過自己，于是他開始變得忌妒和懷恨。當法拉第的名字報到皇家學會，準備被接納為會員時，戴維表示反對。盡管戴維一個人投了反對票，法拉第還是在1824年當選為皇家學會會員。1825年，法拉第成了實驗室主任，1833年擔任皇家研究所化學教授。法拉第是一位溫文爾雅、忠于職守的人，他寧可把時間花在實驗室里，或在家里陪伴妻子巴拉德（Sarah Barnard），對戴維的行為從不回擊。他還有很多的事情要做。丁鐸爾（John Tyndall，1820—1893），作為法拉第在皇家研究所的繼承人，曾這樣形容法拉第：他“是一個容易激動、生性火爆的人，但是經過高度自律，他已經把這種火爆轉變成了生命中的閃光和動力，而不是讓其耗費在無謂的激動中”。

對于偉大的實驗家法拉第，我們深懷敬意，正如英國物理學家盧瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在1931年所說：

“回顧過去，我們越是研究法拉第的工作，就越是感受到作為一個實驗家和自然哲學家，他所具有的那種無與倫比的才能。當我們考慮他的發現和這些發現對科學和工業進步的影響時，實在找不到相稱的榮譽來紀念法拉第——這位所有時期里最偉大的發現者之一。”

蘇格蘭的理論家

麥克斯韋1831年出生，正好這一年，法拉第作出了最有影響的發現——電磁感應。兒童時代，麥克斯韋在數學上非常出色，以至于看起來像是有點反常，同學們叫他癡人。15歲時，他向愛丁堡皇家學會遞交了一篇論文，論述橢圓曲線的繪制，論文給人的印象是如此深刻，以至于許多會員認為這不可能出自一位如此年輕的少年之手。在麥克斯韋30多歲時，他已經正確地解釋了土星光環的概率特性（1857年），并且獨立于玻爾茲曼提出了氣體的運動理論（1866年）。

但是他始終對法拉第的工作充滿興趣。1855年12月和1856年2月，24歲的麥克斯韋正在劍橋大學三一學院任研究員，他提交了一篇特殊的論文——《法拉第的力線》。接著，在1864年到1873年之間，麥克斯韋又把他的數學天才用于法拉第對電磁力線的猜測上，他試圖為此提供必要的理論根據。

在這個過程中，麥克斯韋提出了一系列簡單的方程式來描述磁和電的觀察事實，并且證明，這兩種力無法分離。這一不朽的工作就是電磁理論，證明磁和電不能單獨存在。

麥克斯韋為了支持法拉第的場理論，證明了電磁場實際上是由電流的振蕩造成的。他說，這個場從源頭以恒定的速度向外輻射，其速率可以從特定的磁學單位和特定的電學單位之比計算得出，結果大約是186300英里每秒。光就是以186282英里每秒的速率傳播的——麥克斯韋想，這一巧合太令人驚奇了，它不是偶然。由此他得出結論，光本身一定與振蕩著的電荷有關。他的結論是：光就是電磁輻射！他無法證明這一點，但它似乎就是一個有力的預言，這個預言一代以后就得到了證實。

但是麥克斯韋想得更遠。他假設，光也許就是以不同速度振蕩的電荷所引起的輻射。（已經找到證據，其中有許多是我們看不到的：1800年赫歇爾發現了紅外線，是肉眼看不到的；1801年，里特爾在光譜的另一端發現了紫外線，也是肉眼無法看到的。）