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魔鬼出没的世界-第47部分
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假如1860年你有一个富有远见的想法，你的这个大胆的想法假如被儒勒·凡尔纳的出版商所驳回。你想有一种机器能传达你的声音，能将描绘帝国的辉煌图景传输到这个帝国的每个家庭。另外，声音和图像不是从管道或电线中传输出来的，而是以某种方式通过空气传播，这样，在工作中和在某一场地的人们就能马上收到旨在确保忠诚和职业道德的鼓舞性的致辞。福音也通过同样的方式传送到所有人的耳朵中。其它社会所需要的电器设备也可毫不费力地得到。
这样，在总理的支持之下，你召集内阁、帝国司令部的全体参谋和帝国最杰出的科学家和工程师。你将拨款100万英镑并告诉他们，在1860年这是一笔大钱，如果他们需要更多的钱，尽管向你伸手，你并不在乎他们怎样做。啊，是的，这个工程叫做威斯敏斯特计划。
通过这样大的投入可能会出现一些有用的发明——“派生物”。它们总是当你在技术上投入了大量资金的时候才会出现。但是威斯敏斯特计划几乎功亏一篑，为什么？因为基础性的科学工作还没有做。1860年电报已经存在了。但是，你可以想象在每个家庭安装电报设备需要花费多大的财力，只有用电报设备的人才能用莫尔斯电码滴滴哒哒地传递信息。但这并不是女王所要求的。她头脑中想的是收音机和电视机，但是这些东西还远远不可能出现。
在现实世界中，发明收音机和电视机所需要的物理学来自一个没有人能预想到的方向。
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1831年出生于苏格兰的爱丁堡。两岁的时候，他发现能用一个镀锡铁皮将太阳光反照到家具上并使太阳光在墙壁上跳舞。当他的爸爸妈妈走过来时，他大声叫道：“快看太阳，我用铁皮抓住了它！”在童年时代，他深深地迷上了臭虫、蛹、石头、鲜花、镜片和机器。他的姑姑简后来回忆说：“回答不出那么小的孩子提出的那么多的问题真是有些让人下不来台。”
他上学时很自然地被大家称做“小傻瓜”——英国英语中的“daft”（傻瓜——译注）一词是用来形容头脑有些呆痴的人。他是个十分英俊的小伙子，但他总是穿着随便，要舒适而不求样式。他的言谈举止中所带的苏格兰式的偏狭守旧也是他遭到讥笑的一个原因。特别是当他进入大学以后，就更经常地受到讥笑。此外，他还有一些与众不同的兴趣。
麦克斯韦就是一个“呆子”。
他与老师的关系比与同学的关系要好些。那时，他写过这样一首略带伤感的两行诗：
岁月流逝，期盼的日子飞速而过。
遭鞭挞的男孩将被指控犯罪。
很多年过去了，在他1872年接受剑桥大学实验物理学教授一职的就任演说上，他还提到了这种“呆子”的模式：
就在不久以前，那些献身于几何学的人，或者从事具有持续的应用价值科学研究的人，还被看成是不愿进行社会交往的人，他们被看成是必定会放弃人类利益的人。他们沉湎于来自生命世界的抽象之中，他们的所作所为沉没于对他们具有巨大吸引力的并给他们带来快乐的事情和肩负的责任之中。
我怀疑“不久以前”是指麦克斯韦回忆他年轻时经历的说法，他接着说道：
现在，从事科学的人已经不再被人们用敬畏的或怀疑的眼光看待。他们可能被看成已经与这个时代的物质精神达到某种和谐统一，他们形成了知识分子中超前的激进一派。
我们生活的时代已经不再是对科学技术的益处持无拘无束的乐观态度的时代了。我们感觉到人们对科学的期望值在下降。今天的情况更像麦克斯韦所记得的他儿时的情况。
他对天文学和物理学做出了巨大的贡献。他的贡献从令人信服地说明了土星环由微小粒子组成、固体的弹性特性，到现在所说的气体和统计力学中的分子运动论的基本原理。是他第一个显示了无数的微小分子各自处于永不停息的运动之中，不断地相互碰撞，并有弹性地弹跳，并非混乱无序，而是遵循着精确的统计定律。这种气体的特性是可预知和了解的（说明气体中分子运动速度的钟型曲线现在被称做麦克斯韦…玻耳兹曼分布率）。他提出了一种假想的物体，现在这种物体被称做“麦克斯韦妖”（Maxwell’s demon），这个精灵的运动产生了一个难题留待现代信总理论和量子力学去解决。
光的性质自古以来就是个难解之谜。它是一种粒子还是一种波，对这个问题长期存在着尖锐的争论。普遍的各种定义形成了一种定式：“光就是将黑暗照亮的东西。”麦克斯韦最伟大的贡献在于他确立了经典的电磁理论，电与磁的结合产生光。现在人们普遍承认的电磁波谱——各种电磁波按照波长或频率的顺序所组成的排列，其波段包括Y射线到X射线、紫外线、可见光、红外线以及无线电波，这一切都归功于麦克斯韦。有了他的发明，我们才会有收音机、电视和雷达。
但是麦克斯韦所追求的并不是这些。他感兴趣的是电与磁之间相互转化的问题。我很想描述一下麦克斯韦所做的研究，但是他的历史成就是建立在高深的数学理论基础上的。在这么短短的几页内，我充其量只能给你们介绍一些皮毛。如果你不能完全理解我所说的东西，敬希原谅。如果我们不使用一点数学，我们就无法体味麦克斯韦所做的一切。
“催眠术”的发明人麦斯迈认为他发现了一种磁流。“几乎与电流一样”，这种磁流可渗透到所有的物体之中。就这点来说，他的观点是错误的。我们现在知道其实并不存在什么特殊的磁流，所有的磁性——包括存在于条形磁铁或马蹄形磁铁中的磁性——都产生于运动中的电。丹麦物理学家汉斯·奥斯特曾做过一个小小的试验，电流通过线圈时引起了附近小磁针偏转、摇摆，而线圈和磁针实际上并没有连接。伟大的英国物理学家麦克尔·法拉第又做了一个曾获得高度评价的实验：通过切割磁力线的运动导致在附近的电线中产生了电流。变化的电流似乎可以产生磁而变化的磁似乎又可以产生电，这就是所谓的“电磁感应”。听起来似乎同魔术一样深不可测。
法拉第指出磁体有一种看不见的力的“场”延伸到附近空间，离磁体越近这种场越强，离得越远，则越弱。你在一张纸上放一些小铁屑，然后在底下挥动一块磁铁，就会发现磁场的存在。同样，在干燥的天气梳理头发通常也会产生一种电场，这种电场在无法看到的状态下从你的头发中产生出来，它甚至能使小纸屑自己移动。
我们现在已经知道，电线中的电是因为一种叫做电子的亚微观带电粒子随着对电场的反应发生移动而产生的。电线是由铜一类的材料制成，因为铜含有大量的不受原子束缚、可以移动的自由电子。然而，大多数物质与铜不同，比如木头，它们不是良导体，它们被称为绝缘体或“电介质”。在这些物质中，只有相对极少数的电子可以在外界电场或磁场的作用下自由移动，不足以产生电流。当然，电子也会发生一些移动或“移位”，电场越强，这种移位也越频繁。
麦克斯韦设计了一种方法记载那个时代他对电和磁的认识，这种方法精确地总结了电线、电流、磁性的实验结果。最后得出了关于电和磁的行为的四个麦克斯韦方程式：
▽·E＝ρ／ε0
▽·B＝O
▽×E＝…B
▽×B＝μ0j＋μ0ε0E
真正地理解这些方程式需要到大学学习几年物理学。这些方程式是运用了数学的一个分支——矢量积分的方法而写出来的。用大写形式写的量是既有大小又有方向的量——矢量。一小时60英里不是一个矢量，但一小时60英里在1号高速公路上向正北方就是一个矢量。E和B分别代表电场和磁场。倒三角被称做“纳布拉”（因为它与古代中东的叫做纳布拉的坚琴很相似），它表示电场或磁场在三维空间的变化。纳布拉后面的“点乘”和“叉乘”表示两种不同的空间变化。
E和B代表电场和磁场的时间变化率。j代表电流。小写的希腊字母ρ表示电荷体密度，ε0（念作“依普希隆零”）和μ0（念作“缪零”）不是变量，而是在其中测得的E和B的物质特性量。真空中的ε0和μ0是自然界的两个常量。
考虑到有多种不同的量被聚合到这些方程式中，其简单明了令人吃惊。表达这些意思本来需要几页纸才行，但实际上并非如此。
麦克斯韦方程组中的第一个方程式阐明了电场随距离的变化与电荷（如电子）密度的关系。距离越远电场越弱，但是电荷密度越大（也就是说在给定空间内电子数越多），电场就越强。
第二个方程式告诉我们磁理论中没有类似的观点，因为麦斯迈所称的磁“量”（或称磁“单极子”）是不存在的：将一块磁铁锯成两半你也不可能得到一个孤立的“南”极和一个孤立的“北”极，每一块磁铁都有自己的“南”极和“北”极。
第三个方程告诉我们变化的磁场如何产生电场。
第四个方程所描述的正好相反，即变化的电场（或者说电流）如何产生磁场。
这四个方程是几代人的实验室实验的结晶，这些实验主要是由法国和英国的科学家完成的。我这里只是粗略地、定性地描述一下，但方程式本身是精确地和定量地描述的。
麦克斯韦接着又问了自己一个奇怪的问题：这些方程在没有介质的空间中、在真空中、在一个没有电荷也没有电流的地方是什么样的形式呢？我们很可能认为在真空中没有电场也没
有磁场。然而，麦克斯韦认为真空中的电磁行为所具有的方程组形式应该是：
▽·E＝0
▽·B＝O
▽×E＝…B
▽×B＝μ0ε0E
他将p设为零，表明没有电荷，他将j也设为零，表明没有电流。但是他没有去掉第四个方程式中的最后一项μ0ε0E，它表示绝缘体中微弱的位移电流。
为什么没有去掉呢？从方程组中你可以看出，麦克斯韦的直觉保持了电场和磁场之间的对称性。他认为：即使是在真空状态下，在完全没有电的情况下，变化的磁场亦能够产生出电场，反过来也是如此。方程组代表着自然的属性，而麦克斯韦相信，自然是美丽而精致的。（用更技术些的语言表述，另外还有一个在真空中保留的位移电流，这里就略而不谈了。）这种部分地取决于“呆子”科学家的感觉而作出的判断，除了其他少数专业科学家外，几乎无人知晓，但它对我们的文明所做的贡献比十个近年来的总统和首相们的贡献还要大。
简单地说，真空中的麦克斯韦方程组说明：（1）真空中没有电荷分布；（2）真空中没有磁单极子；（3）变化的磁场产生出电场；（4）反过来也成立。
当麦克斯韦将方程组以这种形式表述时，他就很容易说明电场和磁场在空间中的传播就像波一样。更进一步的是，他还能计算出波速，也就是μ0和ε0的乘积的平方根的倒数。但是uo和Eo已经由实验测得。如果你把数字代进去，你会惊奇地发现，真空中的电场和磁场竟然以与已经测得的光速同等的速度传播。这种速度的如此一致，以至于不可能纯属巧合。电和磁突然不露声色地与光的属性紧密地结合到一起。
既然现在已知光的行为就像波动一样而且是从电磁场中衍生出来的，麦克斯韦就将之称之“电磁的”。那些用电池和电线所做的不太清楚的实验都与太阳的亮度、与我们所看的方式以及是什么样的光有关。很多年以后，阿尔伯特·爱因斯坦反思麦克斯韦的发现时写道：“在这个世界上很少有人能够获得这种经历。”
麦克斯韦自己被这些结论困扰着。真空的作用似乎就像电介质一样，他说它能够被“电极化”。生活在一个机械化时代，麦克斯韦总是感觉有责任为电磁波在纯真空中的传播提供某种机械模式。因此，他设想空间充满着一种叫做“以太”的神秘物质，它支撑并包含着随时间变化的电磁场，就像是一种振动但却看不见的极乐渗透在宇宙之中。以太的振动就是使光穿过它的原因，正如水波通过水来传播、声波通过空气传播。
但是这种以太一定是一种非常奇特的物质。它非常稀薄，像幽灵一样，几乎没有确定的形状。太阳和月亮、行星和恒星在不减速和不被注意的情况下在它中间穿行。同时，它又必须十分坚固使得足以支持所有这些波以惊人的速度传播。
“以太”一词表示出以一种散漫的形式静止存在。在使用上，英文中主要表示存在于以太中的比较惰性的物质。它与更现代意义上的“太空的”、“空间外的”有某种类似的含义。在无线电广播的早期阶段，当人们说正在播出时，常用“通过空气”（on the air）一词来表达，他们头脑中所想的就是以太（俄语的用词在词源上更接近于“在以太中”， v efir）。但实际上无线电波更易在真空中传播，这是麦克斯韦的重要结论之一。无线电波的传播不需要空气。如果在空气中传播的话，反而有所阻碍。
整个关于光和物质通过以太运动的思想引发了另外长达40年的研究，出现了爱因斯坦的狭义相对论，即E＝mc2以及其它的一些重要成就。相对性以及得出有关理论的实验都表明了并没有以太在支持电磁波的传播，爱因斯坦在他的著名论文的摘录中阐明了这一结论，我在第二章中对他的这个理论已经进行了阐述。波是自行传播的。变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，它们依靠自己的力量而互相关联着。
很多物理学家被这种“传播光的”以太的作用的被否定而感到深深的困扰，他们需要某种机械模式以使得整个“光在真空中传播”的概念变得合情合理、令人信服而且易于理解。但是这是一个为自己的理论寻找支持而出现的东西，是对我们面临的困难所作出的一个反应，它表明在探索的领域内，普通的感觉再也不管用了。物理学家理查德·费因曼这样描述道：
今天，我们已经更深刻地理解了这些方程式本身，而不是那些用来推导出方程式的模式。我们可能只需问这些方程式是否正确。这可以通过实验来回答，无数的实验已经证实了麦克斯韦方程组。如果我们移走那些地建立这些方程时所使用的支架，我们发现麦克斯韦高大而宏伟的大厦依靠自己的力量仍高高耸立。
但是这些穿透整个空间的随时间而变化的电场和磁场究竟是什么呢？意义何在？我们对于诸如接触、摇晃、推、拉的概念比起通过“场”神奇地移动一定距离之外的物体或者纯粹的抽象数学概念要感觉舒服得多。但是，正如费因曼所指出的，我们通过至少在日常生活中我们可以依赖固体的、可以感觉到的物理接触所获得的感觉，用来解释当你拿起切黄油的刀时它就到了你手中之类的问题，但这种感觉只是一种误解。物理接触意味着什么？当你拿起一把刀、推秋千，或者有节奏地拍打水床形成水波的时候，究竟发生了什么现象？当我们深入研究时，我们发现这里并没有什么物理接触。实际上，是你手上的电荷影响了刀、秋千或者水床中的电荷，反之亦然。不论日常经验或一般的感觉如何，这里其实只有电场的相互作用，并没有什么物体实际接触。
没有哪个物理学家起初就对通常意义下的概念表示厌烦，并期望用某种只能被极少数高深的理论物理学家才能理解的数学抽象概念�
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