1873年，麥克斯韋出版了論述電磁學的《電磁通論》（Treatise on Electricity and Magnetism）。這是一部輝煌的巨著，它為法拉第的場觀點，尤其是針對電磁現象的見解，補充了數學的精確性和定量的預測。和場一樣，他假設以太作為一種媒質彌漫于空間中，電磁波就在這一媒質中傳播，這個假設后來被否定了，但是他的方程組并不取決于以太的存在，它們在“經典”物理學的日常世界中一直有效（盡管不適用于愛因斯坦的相對論物理學或量子力學的世界里）。

歷史往往有奇怪的巧合，麥克斯韋1879年去世，這一年正好另一位偉大的理論物理學家愛因斯坦出生。如同麥克斯韋的工作對于19世紀的意義，愛因斯坦的工作也主宰了20世紀初直到現在的物理學。麥克斯韋沒有活到能看到他的理論被實驗證實，但是這種證據已不太遠，不到十年，德國就有一位年輕的物理學家在實驗室里做了這件工作。

赫茲的電磁波

赫茲（Heinrich Rudolf Hertz，1857—1894）是亥姆霍茲的學生，1883年開始對麥克斯韋的電磁場方程組發生興趣。亥姆霍茲建議赫茲嘗試應征柏林科學院在電磁學方面的懸賞，這時赫茲正在卡爾斯魯厄從事教學工作，他決定接受這個建議。1888年，赫茲設計了一個實驗——假如光真的是一種電磁輻射，他的實驗就可以檢測到長波輻射的存在。他還設計了一種測量波的形狀的方法，如果它出現的話。

赫茲成功地證明了電磁波的存在，驗證了麥克斯韋方程組的正確性。波出現了，他對波進行了測量。波長是22英尺（66厘米）——相當于可見光波長的一百萬倍。赫茲還證明了，他測量的波含有電場和磁場，所以有電磁特性。

后來搞清楚，赫茲找到的并不是光波，是無線電波。馬可尼（Marchese GuglielmoMarconi，1874—1937）在1894年把這種波用于無線通信。［無線電（Radio）是無線電報（radiotelegraphy）的縮略語——無線電報是通過輻射而不是電流發送的電報。］

赫茲成功地證明了電磁波的存在，驗證了麥克斯韋方程組的有效性。物理學中又一團大大的困惑有了著落。

縱觀19世紀，一個新的模式開始出現在物理學中，這就是先提出一個設想，再通過實驗來驗證，再由數學理論予以強化。這是一個三重過程，越來越受到科學家的認同，它適合于邁爾和焦耳的熱當量工作，法拉第、麥克斯韋和赫茲的電磁學工作，還適合于楊和菲涅耳對光本性的認識。

19世紀最驚人的成就是通過許多人之手——以及法拉第和麥克斯韋的特殊才能——不斷理清思路，從而認識到這一偉大的潛在力量——電和磁。法拉第的電動機、變壓器和發電機，幾乎觸及我們生活的每一個方面。而場理論和電磁學這樣一些基本觀念，其重要性不失為人類研究宇宙特性的歷史長河中最有效的見解。

天空與地球

有史以來，人類一直在觀察天空，試圖理解他們在夜空中看到的點點繁星。自從哥白尼發表日心說，開普勒發表有關行星軌道的工作以及康德在18世紀對星云的研究以來，到了19世紀，理論已經走過了一段漫長的道路。

自從伽利略在1610年首先把望遠鏡用于天文學以來，關于宇宙的研究邁出了巨大的一步。現在天文學家已經探明木星的四大衛星、土星光環和月亮的表面。到18世紀，由于望遠鏡的改進，威廉·赫歇爾發現了第七顆行星——天王星，這是自古代以來首次看到的新行星。不過天王星的軌道有些奇怪，這一遙遠的漫游者似乎暗示至少還有一個行星存在于太陽系。但是它在哪里呢？

此外還有其他的問題困惑著天文學家。18世紀梅斯爾詳盡列出的星云究竟是什么？它們也許離得太遠，以至于在望遠鏡里看上去只是一個斑點？或者它們會不會就是有人所假設的氣體云？怎樣才能弄清楚？太陽是由什么組成的？恒星呢？

更好的檢測方法是獲得進展的關鍵。人們需要更高的精確度，更有效的計算方法和更好的儀器。為了回應這一挑戰，許多富有激情、奉獻精神和聰慧機敏的頭腦被吸引到這個領域。但是在19世紀里，有兩項非凡進展大大推動了天文學家的工作：一項令人驚奇的技術是（通過光譜儀）可以測定恒星由什么組成，另一項技術是（用1826年發明的照相術）可以記錄望遠鏡所指向的天體。

看得更好

19世紀天文學的進展很大程度上可追溯到一家光學店，那里有一位執著的“磨鏡師，”他的名字叫夫瑯和費。在當時的化學、物理學或天文學界，這一名字無人不知。正如前文所述，這位曾經身無分文的孤兒不僅發現了以他名字命名的光譜線，而且還因他那精心磨制的透鏡和做工精細、包裝在摩洛哥紅皮革里的望遠鏡而聞名遐邇。

德國天文學家貝塞耳（Friedrich Bessel，1784—1846）應用夫瑯和費的一臺望遠鏡，第一次成功測量了一顆名叫天鵝座61星的距離。天文學家在3個世紀里，一直在試圖測定任一恒星的視差。視差是指從兩個不同地點看同一個天體在位置上的表觀移動。測定了視差，天文學家就可以利用三角測量法確定恒星到地球的距離。但是恒星距離如此之遠，即使從地球軌道相差6個月的位置進行測量（這是地球上的天文學家所能得到的最大基線），也從未得到滿意的結果。貝塞耳選擇了天鵝座61星，是因為這顆恒星雖然較為暗淡，卻有比較快的固有運動（恒星相對于固定背景的表觀運動），在所有恒星中，它的這一運動速度最快。他訓練可信賴的夫瑯和費從事這項工作，用了一臺名叫太陽儀的特殊儀器——由他自己親自設計，并由夫瑯和費制作。通過耐心細致的長期觀測，貝塞耳測量到了天鵝座61星微小的位移，這樣就能把它的位置與附近更為暗淡的另外兩顆恒星相比較。令他驚奇的是，天鵝座61星的視差表明，它距離地球大約相當于現在所說的6光年，而牛頓認為這個距離大約相當于現在所說的2光年，所以這一發現大大改變了天文學家對宇宙尺度的觀念。

1838年，貝塞耳宣布這一成果，哥白尼的謎團再次得到有力澄清，哪怕是恒星有極小的視差，也說明了地球是在太空里運動。

貝塞耳還用他的太陽儀觀察了兩顆恒星：天狼星和南河三。這兩顆星都有微小的偏差，無法解釋成視差，也許更像是在顫抖。1841年，貝塞耳假設這兩顆星分別圍繞著一個看不見的伴星在旋轉。

故事的其余部分屬于第二位精密透鏡制作者馬薩諸塞州的克拉克（Alvan Clark，1832—1897）。他和夫瑯和費一樣，做出了世界聞名的透鏡。1862年的一個夜晚，克拉克正在測試他和他父親正在加工的18英寸透鏡，這時他對準天狼星，認出了這顆星附近的一個微小的光斑，這正是21年前貝塞耳預言的伴星。

用克拉克的望遠鏡還作出了兩項重大發現。1877年，火星正處于近地點時，康涅狄格州的霍爾（Asaph Hall，1829—1907），在他夫人斯提克里（Angelina Stickney）堅持“再試一個晚上”的請求下，發現了火星的兩顆衛星。1892年，巴納德（Edward Emerson Barnard，1857—1923），發現了木星的第五顆衛星，這是三個世紀以來的第一次發現。

羅塞的第三伯爵帕森斯（William Parsons，1800～1867），用他自己的巨型72英寸反射式望遠鏡（名為利維坦，意為巨獸）也作出了重要發現，他從1842年開始在愛爾蘭他的莊園里自行建造這臺巨型望遠鏡，1845年完成并準備開始觀察。然而他的家鄉總是霧天，直到1848年羅塞伯爵才有可能研究巨蟹座星云。這是他起的名字。他識別了好幾個旋臂狀的天體，后來證明是非常遙遠的星系。

與此同時，夫瑯和費和克拉克在改進透鏡上的成功，激勵了好幾臺反射式巨型望遠鏡在19世紀末建造成功，其中包括1888年在加利福尼亞州的里克天文臺建造的一臺36英寸孔徑的望遠鏡；一臺在芝加哥附近的孔徑為40英寸的耶基斯天文臺，由克拉克監制，1897年開放，現在仍在使用。

遺失的行星

當古人環視夜空時，他們看到了稱之為“漫游者”的天體，這就是行星，它們以奇特的方式穿越天空，分別被取名為水星、金星、火星、木星與土星。當然，今天我們知道地球也是行星，但是當時沒有人認為它是行星。威廉·赫歇爾在1781年發現天王星令所有人大跌眼鏡。（實際上，他并不是第一個看見天王星的，這顆星不需要望遠鏡就可以看見。但他確是第一個證實了天王星是行星。）威廉·赫歇爾運用系統搜索、出色的望遠鏡和優秀的眼力，并且得到他妹妹凱洛琳·赫歇爾的幫助。

但是也許還有更多的行星。許多天文學家被水星軌道的偏離現象所困擾，威耶（Urbain-Jean-Joseph Le Verrier，1811—1877）確信，這一現象可用水星和太陽之間存在另一個行星來說明。經過計算，預言它的軌道和尺寸（直徑1000米），還給它起了一個名字，叫做祝融星（Vulcan）。但是，盡管很多天文學家試圖去尋找，卻始終沒有發現。（愛因斯坦后來解釋了為什么水星的軌道不符合牛頓物理學，與另外一顆行星的存在無關。）

天王星的軌道也有同樣的問題。威耶的運氣則要好得多。他再次進行數學計算并列出方程組。然后，他和柏林的伽勒（Johann Galle，1812—1910）聯系，告訴他什么位置可以找到。1846年9月23日，幾乎就在威耶指出的地方，伽勒幸運地發現了新行星——海王星，它是和天王星大小差不多的另一顆巨星。這一發現是天文學作為一門科學的勝利。

正如曾經發生過的，往往會有不止一位科學家熱衷于同一現象，而要獲得發現者殊榮，則取決于運氣。就海王星這一例子，劍橋的亞當斯（John Couch Adams，1819—1892）在伽勒發現之前幾個月也曾作出同樣的計算，但是他沒有獲得望遠鏡的支持。

夫瑯和費譜線