你和我将长相厮守。

在生机盎然的春潮里，

我的神灵已经，

穿越如此广阔的寰宇。

我这就将我的整个生命

导入这生机盎然的春潮，

将真正使三个自我，

穿越这世界的广袤。

——麦克斯韦

麦克斯韦这首诗写的啥？读到最后自会明白。我先不急于揭开谜底。

我说，电=磁=光，采用的不是科学的语言，只是为了使大家有点更直观的感受罢了。讲述它们的故事，得花点时间，还需要一点耐心——如果突然遇到让你头疼的方程式的话。但是请千万费点心来理解，因为那是讲述它们的故事的唯一的科学语言。

三只远古的精灵

电，这个微小的精灵，有时会表现出可怕的一面。在古希腊神话中，性情暴烈的宙斯是雷电之神。过去，中国人相信人被雷击致死是天谴。

电，充满我们的世界。我们身边的电器、我们乘坐的汽车工作时都离不开电，这自不待言。可是，你知道吗？我们走路或跑步时也需要电——生物电带动肌肉收缩。彩虹——我们人人都看到过它，却极少人能看懂它——它的颜色也是一种电效应。还有，人的大脑之所以能够思考——传递、组合信息，是由于神经突触在放电。没有电，你会看不见，因为光与电是同一种效应。

电磁力和万有引力一样，都属于我们的感觉器官能够直接察觉，但长期不明所以的力。也就是说，它们都属于显性的力。人类对其认识却走过了一个漫长的时期。

在很长久的时间里，电、磁、光这三个神秘的精灵，一直吸引着那些好学深思的科学家去一探究竟。

对于摩擦起电、闪电，人类已经观察和研究很久了。18世纪的人做了许多关于电的实验，不是为了应用——那时候还无人知道电有什么实际用处——而是做滑稽表演。就是用电对人进行电击使他突然跳起来，博观者哈哈一笑。在巴黎的一座女修道院，好多修士被用铁丝串在一起形成一个长长的队列，然后有人用电瓶向铁丝放电，瞬间，串在一起的人全都跳了起来。如果我们今天的人穿越回去看到这一幕，一定会哂笑。他们还发现，电可以杀死鸟和其他动物。这些就是人类发现的电的最早用途。

上图蓝色的瓶子叫莱顿瓶，在荷兰莱顿城大学发明的，是最早的电容器；右面的发电机是最早的发电机——圆盘发电机，法拉第发明的。从图中能够看到发电机左边固定着一块U形磁铁，法拉第做的圆盘是一个紫铜盘，紫铜盘在磁场中转动就产生电流。当然，电流是极微弱的。有人称，这就像一个儿童玩具。用一个如此简单的工具就能够造出以前只有大自然才能造出的电，显示了人类的聪明才智。

对于磁性的利用，传说在好几千年前，在黄帝和蚩尤的战争中，前者便利用指南车（司南）的指引冲出后者布下的迷雾，取得了胜利。后来，指南针成为中国的四大发明之一，在航海中广泛使用。

对于光的研究，恩培克勒多认为人的眼睛能够看到物体，是因为眼睛能发出光。这是一个非常低级的错误——只要想一想晚上我们的视觉是如何受限就知道了。之一个在光的研究上取得重大成就的是个 *** 人。他有一个很长很长的名字：阿布•阿里•阿勒•哈桑•依卜恩•阿勒•哈桑•依卜恩•阿勒•海塔姆。这样长的名字使用起来自不方便，通常人都叫他阿勒•哈增。

阿勒•哈增的故事，是一个“在黑暗中追寻光明”的故事。他出生在10世纪的巴士拉，靠抄写和贩卖古希腊的学术残卷谋生。我们都知道文艺复兴是学者对基督教思想日益不满后，古希腊学术思想的复兴和新演进。其重要的物质基础就是 *** 人保存了古希腊的许多学术著作，使文艺复兴学者有以研究。像阿勒•哈增这样的人的工作虽为糊口，但也有益于学术。他本人在抄古书的过程中也学到了很多知识，自称能够治理尼罗河的定期泛滥，因而被召入埃及哈里发的宫廷。到了现场才发现自己无此能为，这可是犯了欺君之罪。为逃避哈里发的死亡惩罚，他便装疯卖傻，被投入监狱十年。就是在黑暗的牢狱之中，凭借可怜的一点光线，他建立了光的对称反射理论，奠定了现代光学的基础。

张网捕捉

电、磁、光，作为三种现象分别被人研究以来，在很长时间里，没有人想到它们之间竟然像三胞胎兄弟一样为一母所生。

当一个事物你不知道它是否存在时，它可能存在也可能不存在。我们生活在两个世界：有知的世界和无知的世界。对于已经认识的世界，我们认为它是真实的。对于另一个世界，我们往往无从思考。这就好比光明与黑暗之间有一道清晰的分界线，科学研究就是驾着一叶扁舟从阳光下驶入分界线的另一面，你不知道驶入后将落入无底的深渊还是发现一片鲜花盛开的大陆。

丹麦有一个叫汉斯•克里斯蒂安•奥斯特的物理学家兼化学家异于常人地、“想当然”地认为，电和磁之间一定有联系。

汉斯•克里斯蒂安•奥斯特（1777~1851）

他的这一念头是从哪里冒出来的呢？原来，此人读过康德的哲学著作。康德认为，各种自然力都来自同一根源，并且可以相互转化——不知道他是怎么想出来的，难道是瞎蒙蒙对了吗？或许，也不神秘。我们都见过不同颜色的小鸡，其实一母所生。想象纷繁复杂的世界有统一的起源并不是一件很困难的事。基督教一神论的宇宙起源论，不就是基于此吗？

但不管怎么说，这都是一个典型的哲学家启发了科学家的例子。

爱因斯坦在《物理学的进化》中说：

“哲学的推广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并广泛地被人们接受之后，它们又常常促使科学思想的进一步发展，指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路。等到这种已经接受了的观点被推翻以后，又会有一种意想不到的和完全新的发展，它又成为一个新的哲学观点的源泉。”

这段话可以成为我们在上文中对哲学嘲讽的“偏激”观点的弥补，尽管它不能改变哲学已经从属于自然科学的地位。

奥斯特就是从哲学家指示的许多条道路中选择了一条，幸运的是，他选对了。

奥斯特这个人喜欢做实验，还喜欢演讲，向公众普及科学知识。他的讲座不是空口讲，而是边做实验边讲，所以很受欢迎。1820年4月的一个晚上，奥斯特又搞了一次讲座。此前，他多次尝试找出电和磁之间的联系都没有成功，在这次讲座的最后，他决定再试一次。他把一条非常细的导线放在一根小磁针上方，小磁针用玻璃罩罩着。在导线接通电源的瞬间，他发现磁针跳动了一下。这一不显眼的现象自然不为听众注意，奥斯特却大为兴奋，以至于激动得在讲台上摔了一跤。在此后的3个月里，他做了种种验证性实验。譬如在磁针和导线之间放置没有磁性的东西隔开它们，把磁针浸到水里。结果在导线导电后，磁针照样偏转。他还发现，把磁针放在导线的上方和下方，磁针偏转方向相反！

1820年7月21日，奥斯特写成《论磁针的电流撞击实验》的论文，正式向学术界宣告他的发现。

事实已经非常清楚：虽然磁针和导线之间隔着距离，但是通电后的导线伸出了一只看不见的“手”，拨动了磁针，使它偏转了。

由此，奥斯特发现了电的磁效应。

但是，奥斯特没有想到，事物有两面——磁也有电效应。想到这个问题的是法拉第。

迈克尔•法拉第（1791~1867）

伟大的英国科学家迈克尔•法拉第是寒门出伟人的又一例证。写这一类人的故事总是使我激动不已，仿佛自己已经与他们跻于同列了。

法拉第出身在一个贫穷铁匠的家庭，因家贫仅读过两年小学便辍学了（不同于牛顿的短暂离校，他是真的从此辍学了），于12岁时上街做了报童。报童，现在我们只能在电影中见到，就是60多年前权贵富豪黑道人物统治的冒险家的乐园上海滩，那些穿着破衣烂衫赤着双脚奔跑，嘴里喊着“卖报，卖报”的穷孩子。可恨的是，现在居然有人赞美那个罪恶的时代。

第二年，他又去做了学徒工。一说到学徒工，也不免使我们想到这个处处幸福的人间被掩盖的许多罪恶，像狄更斯（1812年—1870年）的小说中描写的。（注：狄更斯本人就因家境衰落做过学徒工，饱受屈辱，去世后葬于西敏寺诗人角。墓志铭：“他是贫穷、受苦与被压迫人民的同情者”。）

法拉底做童工时，是否经历过许多人间苦痛我们不知道，或许他是幸运的。至少他在一个充满知识的地方——一个书商家做学徒工。书商家里书籍堆积如山，法拉第如入宝山，工余刻苦攻读。

再后来，受机缘青睐，再加上自己毛遂自荐，其好学精神又感人，长期学习积累了相当丰富的物理化学知识，他有幸做了当时著名的化学家汉弗莱•戴维的助手——实则相当于仆从、佣工。据说，他不但要给汉弗莱•戴维洗刷做实验用的瓶瓶罐罐，在戴维出门时给他拎包，还要上街给戴维夫人买日用品。

汉弗莱•戴维(1810-1876)

汉弗莱•戴维生活在化学大发现的时代。那时候电解——把电通到一些物质中去，就有一些此前人们不知道的物质冒出来——的有趣刚刚被人发现，其魔术一般的效应深深地吸引了科学家研究和公众的兴趣。后来成为英国皇家学会主席的戴维就是玩这个的“大拿”，他通过电解实验先后发现了钾、钠、钡、镁、钙、锶等碱土金属。他被认为是发现元素最多的科学家。

但是，戴维这个人有个缺点，爱慕虚荣、贪恋金钱。这两条使他热衷“走穴”——到处表演，而不务正业——搞清其背后的科学道理。这颇类于我们今日一些大学的教授。当然，某些“叫兽”靠盘剥学生、剽窃、伪造等手段炮制学术成果混世，比戴维又等而下之。

追随戴维，使法拉第真正走上了科学发现之路，成了一个伟大的实验科学家。法拉第不像他的老师，或许也是因为“走穴”的机会都被老师攫走了，他只好坐在冷板凳上专心啃“冷馒头”——清洗完实验器具后，抽时间做做实验。实验室里安静无人的时候，他会静下心来琢磨事实背后深奥、冷漠的真理。

在此期间，他做出了许多重要的实验发现，得到科学界的认可，社会地位逐渐提高。

1821年，法拉第担任了皇家学会实验室总监。

1824年，当选为皇家学会会员。

1825年，接替戴维担任皇家研究所实验室主任。

我说有些重要发现是“蒙”的，这自然是调侃的说法，当不得真。“机会总是留给有准备的人”，这句话还是颇有道理的。

1821年的一天，英国《哲学年鉴》的主编请戴维撰写一篇文章，评论一下自奥斯特的发现以来电磁学的发展概况。就像许多导师会把自己接到的活儿交给助手或学生来干一样，戴维把这个工作交给了法拉第。

法拉第接手后，立即被电磁现象深深吸引，认真研究起来。

一个心地善良的孩子拿到一个新玩具会把它当宝贝，一个有探索精神的小孩子拿到一个新玩具则会试图毁坏它——反来复去地琢磨，试图拆开它，看它里面的秘密。如果前面拆不开，他就会琢磨后面；如果从上面拆不开，他就会琢磨下面。你看，我们最容易想到的就是从正反两面思考问题。法拉第当时也是这样想的：如果电能够使磁体运动，那么反过来，磁体能不能使带电体运动呢？

你可以说这是瞎想，是蒙。反正那时没有人知道答案，上天也不会给一星半点儿的提示，全靠有想法的人自己摸索。

成功是在历经10年反复的实验失败后才到来的。1831年，法拉第终于发现，一个通电线圈的电流刚接通或中断的时候，另一个线圈中的电流计指针有微小偏转（说明这个线圈里有了电）。由此，他发现当磁作用力发生变化时，另一个线圈中就有电流产生。他又设计了各种各样实验，比如让两个线圈发生相对运动，磁作用力的变化同样也能产生电流。这样，法拉第终于用实验揭开了电磁感应定律。

这一发现为人类大量“生产”电找到了科学道路。

法拉第在进行圣诞科学演讲

1831年10月28日，法拉第发明了圆盘发电机——人类创造的之一台发电机诞生。

圆盘发电机的原理：圆盘（想象由无数铜线组成）切割磁力线，就生产电流。

现在，问题来了！

不管是奥斯特的电磁实验还是法拉第的电磁实验都有一个问题需要解释：电体和磁体互相没有接触，它们是如何发生“感应”的呢？

1837—1838年，法拉第尝试着作出了解释：电和磁的周围都有场存在。

这堪称是物理学理论的一次革命性突破。为什么这么说呢？因为它涉及西方科学史上长期存在、到今天量子力学还在争论的一个概念：超距作用。

很久很久以前，思想家们就为空间是什么样子的而存在争议。

有些学派，譬如原子论者认为，物质世界由原子构成。那么原子存在于何处呢？他们的答案是：真空中。

有的学者则坚决反对存在真空，认为我们看不见的空间中也有物质存在。最有代表性的主张就是空间充满“以太”的“以太说”。

人类很容易观察到许多力是通过接触来传递的，例如推、拉、挤、压、捏、揉、踩、踏、打等等，太多了。

然而，也有些力是“超空间”的，它似乎不需要媒介、接触就能发生作用。最典型的就是万有引力。牛顿的万有引力定律显示，引力能够瞬间跨越广大的空间，无需“摆渡”便发生作用。

这该怎样理解呢？

有人认为，这是典型的“超距作用”。

有人认为，引力是在以太中传播。

牛顿本人无法解释他的万有引力在什么里面传播，但他反对“超距作用”。

总而言之，当时这个问题是一笔糊涂账，没人能够作出让大家都信服的解释。

电磁力也表现为“超距作用”。

法拉第“力场”的概念的提出，虽不能解决是否存在“超距作用”、是否存在以太这些关于空间的根本认识问题，但丰富了人类的思想。从此，场（field）——电磁场、引力场成为科学名词。量子力学后来有量子场论，是将量子力学和经典场论相结合了。爱因斯坦试图建立统一场论，是因为他认为所有的力都存在力场，根本上它们应该是一个力场。可见其影响之巨大。

场，与超距作用、以太等一样，是一个玄虚的概念吗？

答案是，否。

法拉第在提出场的概念之外，还提出了电力线（或磁力线）的新概念来解释场。场是有形状的，这个形状就是我们在用磁铁吸引铁屑时，铁屑会按照整齐的弧线排列成同心圆形。因此，场不是虚无缥缈之物，而是有规律可循的。这是它的意义之所在。因为它有具体的形状，就能够用数学 *** 计算。

1843年，法拉第又证明了电荷守恒定律。“守恒”，既是物理学研究的一个重要内容，也是一件有力的工具。我们最了解的守恒是能量守恒。能量会从一种形式转化为另一种形式，比如生物的光合作用，是将太阳的热能转化为化学能储存起来，生物运动是将储存的化学能转化为动能释放出来，但宇宙的总能量不会增加也不会减少。这是宇宙的根本性质之一。电荷守恒，是指正电荷和负电荷能够流动迁移，但电荷无法创生也不能被消灭，宇宙的总电荷量保持不变。

1845年，法拉第又发现了“磁光效应”，就是当偏振光（注：自然光是非偏振的，在每个方向振幅都相同。但在光经过某些反射或折射面时，某些方向的光被遮挡，只剩下了部分方向的光。这就是偏振光。摄影师在拍摄有光滑表面的物体，比如镜面、塑料表面时，会出现耀斑样的反光团，那就是光的偏振造成的。所以我们去照相馆照标准照时，背后会挡上白色的遮光板，就是为了消除光在人脸上的偏振）在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转方向取决于介质性质和磁场方向。

至此，法拉第发现电、磁、光三者之间密切的联系，为电磁统一理论的最终发现奠定了基础。

装进用数学编织的笼子里

有人说，你懂的越多，疑问就越多。科学研究总是让人不得安生，一个问题刚解决，就像一个妖怪召唤来更多妖怪一样，它立即就会引来新问题。上面在讲万有引力时我们遇到过这种情况，现在，法拉第的电磁理论也撞到了一堵又厚又高的墙，他无法翻越。

法拉第做出了如此之多伟大的发现，本该获得殊荣，他却极其苦恼。原因是他的场与电（磁）力线的理论，只能停留在猜想的层面上，无法做进一步的理论解释。因此，当时物理学界虽然尊敬他，却又有很强的力量反对他。譬如，有人就坚决维护“超距作用”理论，反对他的场论。

法拉第无法说服他人接受自己的理论的根本原因是，由于自幼未受系统的科学教育，所以他缺乏数学功底，无法给自己的理论插上数学的翅膀。我们看，有史以来最伟大的物理学发现，最终都要找到简洁的数学方程表达式，才算完满。

因为这个原因，法拉第在发表他的电磁理论的时候很谨慎，尽量不说“过头”的话。但是有一次，他的一个同事要在皇家学院做演讲，却临阵怯场了，法拉第代替他做演讲。或许因为事先准备不足，便想到哪儿说到哪儿，他把自己的一些不成熟的想法说了出来。他对目瞪口呆的听众讲：全部空间都充满着电力线和磁力线。这些线横向振动，当受到干扰时，就会沿着线的方向以很快但有限的速度发射能量波。光很可能就是光线振动的一种体现。

你可以想象，到现在我们都难以理解这样的情景。在法拉第的时代，这无异于一个科学家在讲鬼故事。甚至你可以怀疑他是否疯了，在胡言乱语。

其时，法拉第已进入人生的暮年，他的思想无法得到验证，成为悬置的空想，所以心情颇为落寞。

上帝眷顾了法拉第，没有让他抱着遗憾离开人间。1855年，他偶然读到一个陌生人写的一篇评论其电磁实验的论文，令他大吃一惊，兴奋不已。

这个陌生人就是麦克斯韦。

麦克斯韦和法拉第的身世截然不同。后者出身贫寒，由学徒、仆从，靠自学而入科学之门。前者则出身富有的家庭，自幼受到良好教育，一帆风顺读完了大学。

1831年11月13日，也就是法拉第发现电磁感应那一天后的第33天，麦克斯韦出生在苏格兰的爱丁堡。他智力发育极早，幼时，干工程师的父亲便发现了他在数学方面的天分，悉心给以指导。15岁时，便有论文发表。16岁时考入爱丁堡大学，做学生时便指出过老师的错误。1850年，入剑桥大学。1854年，以数学优等第二名的成绩毕业。

麦克斯韦刚从剑桥大学毕业，便读到了法拉第新出版的三卷本《电学实验研究》，立即沉迷其中。但他发现一个问题，这部书中没有一个方程，麦克斯韦因此知道了自己的努力方向，因为数学恰恰是他的强项。

许多物理学家在写科普书时，都宣称为读者的接受能力计，自己的书里几乎不用方程。其实，当他们这样做时，就等于削弱了物理学的数学之美。方程具有简洁、对称之美，以更好的方式表述了物理量之间的美妙关系。我认为，物理学家耗尽心血，最终得出的就是一个方程。介绍知识却不介绍方程，就如让人参观一棵果树，却不让品尝树上结的果子一样。虽然有些方程不易理解，但我决定尽量跟读者一起去理解它们。

先看一个例子，在电磁学的发展史上，在法拉第和麦克斯韦之前，有一个叫库仑的科学家发现了真空中两个静止的电荷（比如一个带负电的电子、一个带正电的质子，都是电荷。当然那时候还没有发现电子和质子）之间的相互作用力的方程：

库伦

库伦定律

在这里，q1、q2是两个电荷量，r是两个电荷之间的距离，上面带着箭头的er为从q1到q2方向的矢径（一个有方向的量的长度，其实就是距离，只不过这个距离带着方向）；K为库仑常数，K=9.0×109 Nm2/c2。F上面的箭头也表示这是矢量（有方向的量）。

在这个方程中，两个电荷之间的力是同性相斥，异性相吸，但其大小与两个电荷量的乘积成正比，与距离的平方成反比。

这又是一个平方反比定律。读者一定还记得，牛顿的万有引力定律也是一个平方反比定律。原来，宇宙中巨大星体间的引力遵循的定律，和微小的电荷之间的作用力遵循的定律是相同的！

有意思吧？

现在让我们认识一下麦克斯韦方程，长这个样：

其实，这并非麦克斯韦方程最初长的样子，据说，麦克斯韦创立出它来时，由20多个方程组成。在科学界没多少人理解，因而也得不到多少人支持。但是，麦克斯韦有一批拥趸，坚信他的思想是正确的。他们用了25年时间研究，再加上矢量微积分的出现，遂将其简化为现在我们看到的微积分形式的这4个神一般的公式。

由于对外行来说，极其深奥，在此就不细致分析了，只说它们各自表示什么意思（自上而下）：

方程1，又叫高斯定理，它基本是库伦定律的演化，表明一个电核周围的场是什么样子的：正电核周围的场线向外，负电核周围的场线向内。

方程2，是高斯磁定理，讲的是世界上没有磁单极子。简单地说就是正极和负极必须同时出现，不可能只有正负二者之一存在。不过这个问题，目前有争论，据说一些科学家在寻找磁单极子，他们相信这个魔怪存在。

方程3，就是法拉第定理，讲磁场如何随时间变化。

方程4，是安培定律。 这个方程是说磁场环绕一个点的分布 等于电场变化的时间率加上电流的密度。电流的密度等于电导率乘以电场。

大家看了这样的解释会一头雾水。于是，我就想怎样讲一个简单的道理，帮助我们联想。我们都知道将磁铁靠近一堆无序的铁屑，铁屑立即会被一种看不见的力摆成规则的形状。那么我们换一种思路，磁铁靠近的不是一堆铁屑，而是一根铁丝或铁棒，后二者本质上不也是由无数细小的铁的“颗粒”组成的吗？岂不也像一堆铁屑一样受着同样的力作用吗？只不过因为它们不是散的而是固着在一起的，那么就会在磁力的作用下形成合力，向某个方向运动。也就是说，其作用力的方向和强度，仍然可以由散的铁屑所受的力的方向和强度算出来。而后者的计算，使用的就是矢量微积分。但我只能想到这儿，再无法深入下去了。

麦克斯韦方程中包含着一个重大而奇异的发现：电磁波的速度正好等于光速，这证明了光也是一种电磁波。在1865年的一篇文章中，他宣布：“我们有强有力的理由得出以下结论：

光本身，包括辐射热和任何其他辐射，都是一种电磁波。”

光学和电磁学就此融合为一。

杨振宁称赞说：

“牛顿的运动方程式、麦克斯韦方程式、爱因斯坦的狭义与广义相对论方程，达到了科学研究的更高境界。它们以极度浓缩的数学语言写出了物理世界的基本结构，可以说它们是造物者的诗篇。”

我相信，读到这儿，许多读者和我本人一样最多感觉，从已经掌握的实验现象来看，它们应该是统一的，但对于为什么它们是统一的、它们是从哪里发生的，仍然摸门不着。如果找到一个统一的发生点，我们才能说它们是一致的，对不对？

所以，对它们的认识不能到此为止，它们本质上来自原子内部。这个问题我们将在量子力学中涉及。

至于本文开头说的诗，到现在还没有讲解。留下悬念，下回分解吧。