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要紀(jì)念偉大的物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋，絕不缺少場(chǎng)合。倫敦威斯敏斯特大教堂中，在離艾薩克·牛頓墓碑不遠(yuǎn)的地方，就有一座麥克斯韋的紀(jì)念標(biāo)志。在愛丁堡，麥克斯韋出生地附近，也建有一座宏偉的雕像。或者，你也可以去他最后的安息之地，位于蘇格蘭西南部的道格拉斯城堡附近，距離他心愛的祖屋并不遠(yuǎn)。此外，還修建了麥克斯韋的紀(jì)念碑以紀(jì)念這位首次提出統(tǒng)一的物理理論、說(shuō)明電學(xué)與磁學(xué)密切相關(guān)的第一人。

但這些紀(jì)念標(biāo)志并沒有反映出的是，在1879年麥克斯韋去世時(shí)，他的電磁理論（這個(gè)理論在很大程度上支撐著我們的現(xiàn)代科技世界）的基礎(chǔ)并不牢固。

這個(gè)世界的大部分信息——光、電流和磁場(chǎng)的基本定律——都可歸結(jié)為4個(gè)簡(jiǎn)單的方程式。這些方程現(xiàn)在統(tǒng)稱為麥克斯韋方程組，是工程和物理入門教科書的必備內(nèi)容。

可以說(shuō)，麥克斯韋方程組是在整整150年前誕生的，當(dāng)時(shí)麥克斯韋在倫敦皇家學(xué)會(huì)上介紹了將電學(xué)和磁學(xué)統(tǒng)一起來(lái)的理論，并于次年，即1865年發(fā)表了一份完整的報(bào)告。正是他所做的這些工作，為隨后物理、通信和電氣工程界的偉大成就奠定了基礎(chǔ)。

但理論的提出和實(shí)際應(yīng)用之間還有很遠(yuǎn)的距離。在麥克斯韋理論首次提出后，因其繁瑣的數(shù)學(xué)公式以及有悖于傳統(tǒng)的概念，這一理論被忽視了很長(zhǎng)一段時(shí)間。

一小群沉迷于探索電磁奧秘的物理學(xué)家花了近25年的時(shí)間鞏固了麥克斯韋的理論。正是他們收集了所需的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，確認(rèn)了光由電磁波組成，也正是他們賦予了麥克斯韋方程組現(xiàn)在的形式。如果沒有“麥克斯韋派學(xué)者（Maxwellians）”——此命名出自美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的歷史學(xué)家布魯斯·J·亨特（Bruce J. Hunt）——的艱巨努力，現(xiàn)代電學(xué)和磁學(xué)理念要得到廣泛采用還要多花幾十年的時(shí)間，而且隨后所有不可思議的科技進(jìn)步也會(huì)推遲。

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我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，可見光只是很寬的電磁波譜中的一段，其輻射由振蕩電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。而且我們知道，電與磁密不可分；不斷變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，而電流和不斷變化的電場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

我們要感謝麥克斯韋在這些基本觀點(diǎn)方面所作的貢獻(xiàn)。但這些想法并不是突然從他腦海中冒出來(lái)的，相關(guān)的啟示和證據(jù)是在五十多年的時(shí)間里一點(diǎn)一滴積累起來(lái)的。

這一過程可以從1800年亞歷桑德羅·伏特宣布發(fā)明電池開始算起，電池的發(fā)明使得科學(xué)家們開始在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用持續(xù)的直流電。約20年后，漢斯·克里斯蒂安·奧斯特獲得了電與磁相關(guān)聯(lián)的首個(gè)證據(jù)。當(dāng)他將載流導(dǎo)線放到指南針附近時(shí)，磁針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。之后不久，安德烈-馬里·安培的實(shí)驗(yàn)顯示，兩條平行的載流導(dǎo)線彼此會(huì)發(fā)生相吸或相斥的現(xiàn)象，吸引或排斥取決于電流的相對(duì)流向。到19世紀(jì)30年代初，邁克爾·法拉第的實(shí)驗(yàn)展示了磁鐵穿過線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流。這證實(shí)了磁鐵也可以影響電，正如電可以影響磁鐵那樣。

這些觀察結(jié)果只是表象的零星數(shù)據(jù)，在當(dāng)時(shí)沒有一個(gè)人具備真正全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。到底什么是電流？載流導(dǎo)線如何影響磁鐵，使其偏轉(zhuǎn)？移動(dòng)的磁鐵又如何產(chǎn)生電流？

法拉第起到了推動(dòng)性作用，他設(shè)想：磁鐵周圍存在一個(gè)神秘且不可見的“電子態(tài)”，我們今天稱之為“場(chǎng)”。他認(rèn)為，這種電子態(tài)的變化是產(chǎn)生電磁現(xiàn)象的原因。法拉第還推測(cè)光本身就是一種電磁波。但要將這些想法轉(zhuǎn)變成一個(gè)完整的理論超出了他的數(shù)學(xué)能力。這時(shí)麥克斯韋出現(xiàn)了。

19世紀(jì)50年代，麥克斯韋從英國(guó)劍橋大學(xué)畢業(yè)后，試圖從數(shù)學(xué)角度說(shuō)明法拉第的觀察和理論。最初，他在1855年發(fā)表了題為《論法拉第力線》的論文，通過類比設(shè)計(jì)了一個(gè)模型，說(shuō)明了用于描述不可壓縮流體的方程也可以用來(lái)解決無(wú)變化電場(chǎng)或磁場(chǎng)的問題。

但這一研究受到了一系列事件的干擾。1856年，他在蘇格蘭阿伯丁馬歇爾大學(xué)找到一份工作，花費(fèi)數(shù)年進(jìn)行土星環(huán)穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)研究；1860年因高校合并被解雇；后來(lái)感染天花險(xiǎn)些喪命；最后找到一份新工作，在倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院擔(dān)任教授。

盡管如此，在經(jīng)歷這些變故的過程中，麥克斯韋仍然抽出時(shí)間來(lái)完善法拉第的場(chǎng)論。他于1861年和1862年分幾部分發(fā)表了一篇論文。盡管并非完整的電磁學(xué)理論，但這篇論文已被證實(shí)是一塊相當(dāng)重要的理論跳板。

麥克斯韋在以前想法的基礎(chǔ)上，設(shè)想了一種分子介質(zhì)，其中的磁場(chǎng)是渦旋陣列。每一個(gè)渦旋周圍都是某種形式的小顆粒，使旋轉(zhuǎn)狀態(tài)從一個(gè)漩渦擴(kuò)散至另一個(gè)漩渦。雖然后來(lái)麥克斯韋并未就這種設(shè)想開展研究，但他發(fā)現(xiàn)這個(gè)力學(xué)視角有助于描述一系列的電磁現(xiàn)象。而最重要的是，它為位移電流這一新概念奠定了基礎(chǔ)。

位移電流并不是真的電流。它是描述變化電場(chǎng)在某一特定區(qū)域產(chǎn)生磁場(chǎng)的方法，就像電流產(chǎn)生磁場(chǎng)那樣。在麥克斯韋的模型中，如果電場(chǎng)的變化導(dǎo)致渦流介質(zhì)中粒子位置的瞬時(shí)變化，就會(huì)產(chǎn)生位移電流。這些粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流。

位移電流最主要的表現(xiàn)形式體現(xiàn)在電容器上，在其中的一些電路中，電容兩個(gè)極板之間存儲(chǔ)的能量在高低值之間振蕩。很容易想象麥克斯韋的機(jī)械模型是如何在該環(huán)境中運(yùn)作的。如果電容器包含一種絕緣的電介質(zhì)材料，就可以認(rèn)為位移電流是由原子核周圍電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。這些電子從電容的一側(cè)到另一側(cè)來(lái)回?cái)[動(dòng)，就好像依附在拉伸的橡膠帶上一樣。但麥克斯韋的位移電流比這更基礎(chǔ)。它可以在任何介質(zhì)（包括沒有電子存在的真空）中產(chǎn)生。而且就像真正的電流一樣，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

增加了這一概念后，麥克斯韋就掌握了將可測(cè)量的電路屬性與兩個(gè)現(xiàn)已停用的常量（描述對(duì)應(yīng)電壓或電流形成電場(chǎng)和磁場(chǎng)的難易程度）聯(lián)系起來(lái)所需的基本元素。（現(xiàn)在，我們用另一種形式表達(dá)這些基本常數(shù)，即真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。）

好比彈簧常數(shù)決定彈簧拉伸或壓縮后的反彈速度一樣，這些常數(shù)結(jié)合起來(lái)就可以確定電磁波在自由空間的傳播速度。在他人通過電容器和電感器的實(shí)驗(yàn)得到確定數(shù)值之后，麥克斯韋就能估計(jì)電磁波在真空中的傳播速度。當(dāng)他將這個(gè)值與現(xiàn)有的光速估計(jì)值進(jìn)行比較時(shí)，他根據(jù)近似相等性得出結(jié)論，光一定是一種電磁波。

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麥克斯韋在1864年，即他33歲時(shí)，完成了電磁理論最后的關(guān)鍵部分（盡管他在后來(lái)的工作中進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化）。他在1864年的演講和隨后的文章中，放棄了力學(xué)模型，但保留了位移電流的概念。他側(cè)重?cái)?shù)學(xué)運(yùn)算，描述了電學(xué)與磁學(xué)的聯(lián)系，以及電和磁一旦生成，如何一起移動(dòng)形成電磁波。

這項(xiàng)工作是現(xiàn)代電磁學(xué)的基礎(chǔ)，為物理學(xué)家和工程師們提供了計(jì)算電荷、電場(chǎng)、電流和磁場(chǎng)之間關(guān)系的工具。

這本來(lái)應(yīng)是一個(gè)成功的創(chuàng)舉，但在當(dāng)時(shí)卻遭到嚴(yán)重的質(zhì)疑，甚至麥克斯韋最親密的同事們也表示懷疑。威廉·湯姆森爵士（受勛后名為開爾文男爵）就是持最強(qiáng)烈反對(duì)態(tài)度的懷疑者之一。湯姆森是當(dāng)時(shí)英國(guó)科學(xué)界的領(lǐng)導(dǎo)者，根本不相信可能存在位移電流這回事。

他的反對(duì)很正常。想象在充滿原子的電介質(zhì)中存在位移電流是一回事，想象它在真空中形成就是另一回事了。因?yàn)闆]有力學(xué)模型來(lái)描述這種環(huán)境，沒有實(shí)際移動(dòng)的電荷，什么是位移電流或位移電流如何形成并不明確。維多利亞時(shí)代的許多物理學(xué)家都無(wú)法接受沒有力學(xué)模型的理論。而如今，一個(gè)物理理論只要嚴(yán)謹(jǐn)且有很強(qiáng)的預(yù)測(cè)力，即使違背常理，我們也愿意接受，比如量子力學(xué)。

麥克斯韋同時(shí)代的其他人認(rèn)為他的理論中還存在其他嚴(yán)重的缺陷。例如，麥克斯韋假設(shè)振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同形成電磁波，但他沒有說(shuō)明它們?nèi)绾卧诳臻g中移動(dòng)。當(dāng)時(shí)已知的所有波都需要傳播介質(zhì)。例如聲波在空氣和水中傳播。因此，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家推斷，如果電磁波存在，必須要有傳播介質(zhì)，即使這種介質(zhì)不可見、不可感知或不可觸摸。

麥克斯韋也相信這樣一種介質(zhì)或媒質(zhì)是存在的。他預(yù)測(cè)這種介質(zhì)充滿所有的空間，電磁特性就是這種介質(zhì)中壓力、張力和運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。但麥克斯韋在1865年及后來(lái)的兩卷著作《電磁學(xué)通論》中提到了他的方程組，卻沒有給出任何力學(xué)模型來(lái)說(shuō)明這些神秘的電磁波為何可能傳播或如何傳播。對(duì)于許多同時(shí)代的人而言，模型的缺少使得麥克斯韋的理論看起來(lái)很不完整。

也許最關(guān)鍵的是，麥克斯韋自己對(duì)這個(gè)理論的描述也非常復(fù)雜。如今的大學(xué)生們，面對(duì)包含4個(gè)方程的麥克斯韋方程組就已很是頭疼，然而原先的麥克斯韋方程形式要更為復(fù)雜。精簡(jiǎn)公式所需的數(shù)學(xué)技巧在麥克斯韋開展工作時(shí)并沒有完全成熟。具體來(lái)說(shuō)，就是需要矢量演算，以三維的方式簡(jiǎn)化矢量的微分方程。

如今麥克斯韋的理論可以通過4個(gè)方程來(lái)概括。但當(dāng)時(shí)他的公式包括20個(gè)聯(lián)立方程，20個(gè)變量。方程的維分量（x，y和z方向）都單獨(dú)闡述。同時(shí)，他還采用了一些有悖常理的變量。今天，我們對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)早已習(xí)以為常。但麥克斯韋主要是利用另一種場(chǎng)，他稱之為電磁動(dòng)量，進(jìn)而利用這種動(dòng)量來(lái)計(jì)算法拉第首先設(shè)想的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。麥克斯韋選擇這個(gè)名稱（現(xiàn)稱為磁矢勢(shì)）可能本來(lái)就是指這種場(chǎng)，因?yàn)榇攀竸?shì)以時(shí)間求導(dǎo)就得到了電場(chǎng)力。但要計(jì)算邊界處發(fā)生的許多簡(jiǎn)單的電磁現(xiàn)象（如電磁波如何在一個(gè)導(dǎo)電表面反射），磁矢勢(shì)對(duì)我們而言沒什么好處。

所有這些復(fù)雜性導(dǎo)致的最終結(jié)果就是，麥克斯韋理論提出后，幾乎沒有得到任何人的關(guān)注。

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但也有少數(shù)人注意到了。其中一位就是奧利弗·赫維賽德。赫維賽德出身非常貧寒，喪失了部分聽力，也從沒上過大學(xué)。曾有一個(gè)朋友形容他為“頭號(hào)怪胎”，但他卻自學(xué)了先進(jìn)的科學(xué)和數(shù)學(xué)。

20歲出頭的赫維賽德在英格蘭東北部紐卡斯?fàn)栕鲌?bào)務(wù)員時(shí)，得到了麥克斯韋1873年出版的《電磁學(xué)通論》。他后來(lái)寫道：“我越來(lái)越覺得這本書很偉大，于是下定決心要掌握這本書并深入研究?！钡诙?，他辭去工作，搬到父母家開始學(xué)習(xí)麥克斯韋的理論。

正是隱居研究的赫維賽德將麥克斯韋方程組完善成目前的形式。1884年夏，赫維賽德正在研究能量如何從電路一處移到另一處。他想知道，能量是通過電線中的電流還是電線周圍的電磁場(chǎng)得以傳遞的？

赫維賽德最后得到的結(jié)果與英國(guó)另一位物理學(xué)家約翰·亨利·坡印亭已經(jīng)發(fā)表的成果相同。但他繼續(xù)研究，并在復(fù)雜的向量演算過程中，偶然發(fā)現(xiàn)了將麥克斯韋方程組改寫為今天使用的4個(gè)方程的方法。

問題的關(guān)鍵是消除麥克斯韋奇怪的磁矢勢(shì)。赫維賽德后來(lái)說(shuō)：“之前我沒有取得任何進(jìn)展，直到把所有的磁矢勢(shì)都拋開?！毙碌墓綄㈦妶?chǎng)和磁場(chǎng)置于中心。

改進(jìn)后的麥克斯韋方程組呈現(xiàn)了數(shù)學(xué)的對(duì)稱性。4個(gè)方程中，一個(gè)描述了不斷變化的磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)（法拉第的發(fā)現(xiàn)），還有一個(gè)說(shuō)明不斷變化的電場(chǎng)如何產(chǎn)生磁場(chǎng)（著名的位移電流，由麥克斯韋補(bǔ)充）。

這一表述同時(shí)也揭示了一個(gè)謎題。帶電粒子，比如電子或離子，周圍的電場(chǎng)線是由其自身發(fā)出的。但磁場(chǎng)線卻沒有源頭：在已知的宇宙中，磁力線是連續(xù)的弧線，沒有起點(diǎn)或終點(diǎn)。

這種不對(duì)稱讓赫維賽德感到困擾，所以他創(chuàng)造了一個(gè)術(shù)語(yǔ)表示磁“電荷”，假設(shè)它還沒有被發(fā)現(xiàn)。而它至今也尚未被發(fā)現(xiàn)。物理學(xué)家們進(jìn)行了廣泛的研究，探索是否有這樣的磁荷，也被稱為磁單極子。但是，這種粒子從未被發(fā)現(xiàn)。

不過磁流仍是解決一些有關(guān)幾何形狀的電磁問題（如分析穿過導(dǎo)電板裂縫的輻射行為）的有用技巧。

既然赫維賽德對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行了改寫，那么我們?yōu)槭裁床荒芊Q它們?yōu)楹站S賽德方程組？1893年赫維賽德本人在他的三卷著作《電磁理論》（Elecro-magneticTheory）的第一卷序言中回答了這個(gè)問題。他寫道，如果我們有充分的理由“相信麥克斯韋本人會(huì)認(rèn)同公式改動(dòng)的必要性，那么我想完善后的理論還是稱為麥克斯韋理論比較好?！?/span>

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數(shù)學(xué)的優(yōu)雅是一回事，要找到麥克斯韋理論的實(shí)驗(yàn)依據(jù)則是另一回事。麥克斯韋于1879年去世，終年48歲。在他去世后，他的理論仍然被認(rèn)為不完整。除了可見光和電磁輻射的速度似乎匹配外，沒有經(jīng)驗(yàn)證據(jù)證明光由電磁波構(gòu)成。此外，麥克斯韋沒有具體闡述電磁輻射作為光的構(gòu)成部分應(yīng)具有的許多特質(zhì)，比如反射和折射等。

物理學(xué)家喬治·弗朗西斯·菲茨杰拉德（GeorgeFrancis FitzGerald）和奧利弗·洛奇（Oliver Lodge）努力探索電磁波與光的聯(lián)系。他們是麥克斯韋1873年《電磁學(xué)通論》的支持者。麥克斯韋去世的前一年，兩人在英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)于都柏林的會(huì)議上碰面后，便開始合作，主要是通過信件交流。他們彼此之間以及他們與赫維賽德的通信幫助提高了對(duì)麥克斯韋理論的理論認(rèn)識(shí)。

正如歷史學(xué)家亨特在他的著作《麥克斯韋派學(xué)者》（TheMaxwellians）中所說(shuō)的那樣，洛奇和菲茨杰拉德也希望找到實(shí)驗(yàn)證據(jù)來(lái)支持光是一種電磁波的想法。但他們并沒有取得多大成功。19世紀(jì)70年代后期，洛奇開發(fā)了一些電路，他希望這些電路能夠?qū)⒌皖l電轉(zhuǎn)化為更高頻率的光，但以失敗告終。洛奇和菲茨杰拉德意識(shí)到他們的方案產(chǎn)生的輻射頻率過低，肉眼無(wú)法發(fā)現(xiàn)。

近10年之后，洛奇在進(jìn)行防雷實(shí)驗(yàn)時(shí)注意到，電容器沿電線放電會(huì)產(chǎn)生電弧。出于好奇，他改變了導(dǎo)線長(zhǎng)度，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了驚人的火花。他正確地推斷出，這是電磁波在諧振中的作用。他發(fā)現(xiàn)，如果功率足夠大，電線周圍的空氣居然會(huì)發(fā)生電離，這是駐波的明顯例證。

洛奇深信他已經(jīng)制造出并探測(cè)到電磁波，于是計(jì)劃從阿爾卑斯山度假回來(lái)后就在英國(guó)協(xié)會(huì)的會(huì)議上報(bào)告這一驚人的成果。但他在乘坐離開利物浦的火車上看雜志時(shí)發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)成果被搶先發(fā)布了。他在1888年7月的《物理年鑒》中發(fā)現(xiàn)了一篇題為《空氣中的電動(dòng)波及其反射》（überelektrodynamische Wellen im Luftraum und deren Reflexion）的文章，作者是一位當(dāng)時(shí)不太有名的德國(guó)研究員海因里?！ず掌?。

1886年赫茲在德國(guó)卡爾斯魯厄技術(shù)大學(xué)（現(xiàn)卡斯魯卡斯理工學(xué)院）開始這一課題的實(shí)驗(yàn)工作。他注意到，電容器通過線圈放電時(shí)會(huì)發(fā)生奇怪的現(xiàn)象。附近相同的線圈在未連接的終端產(chǎn)生電弧。赫茲認(rèn)識(shí)到，未連接線圈因接收到放電電容所連接的線圈產(chǎn)生的電磁波而產(chǎn)生火花。

赫茲受到啟發(fā)，用這種線圈中的火花檢測(cè)看不見的射頻波。他繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證電磁波會(huì)產(chǎn)生類似于光的反射、折射、衍射和偏振的現(xiàn)象。他在自由空間以及導(dǎo)線情況下進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，用模子造出無(wú)線電波可穿透的一米長(zhǎng)的瀝青棱鏡，并用它來(lái)觀察規(guī)模比較大的反射和折射。他向平行導(dǎo)線的柵格發(fā)射無(wú)線電波，顯示電波反射或穿過網(wǎng)格會(huì)取決于網(wǎng)格的方向。這表明電磁波是橫向的：就像光那樣，這些電波在與傳播方向垂直的方向上擺動(dòng)。赫茲還在一大塊鋅板上反射無(wú)線電波，測(cè)量產(chǎn)生的駐波中抵消現(xiàn)象間的距離，以確定它們的波長(zhǎng)。

利用這些數(shù)據(jù)以及輻射頻率（通過測(cè)量他電路中的電容和電感得出），赫茲能夠計(jì)算無(wú)形電磁波的速度，這種速度與可見光的已知速度非常接近。

麥克斯韋曾推測(cè)，光是一種電磁波。赫茲的實(shí)驗(yàn)顯示，很可能存在一個(gè)完整的無(wú)形電磁波世界，這些電磁波的運(yùn)作方式像可見光一樣，且以相同的速度通過空間移動(dòng)。根據(jù)推理，這一實(shí)驗(yàn)足以讓很多人接受光本身是一種電磁波的說(shuō)法。

洛奇雖然因別人搶先發(fā)布成果感到很是失望，但也為赫茲研究工作的邏輯性和完整性所震撼。洛奇和菲茨杰拉德在英國(guó)協(xié)會(huì)會(huì)議開始前就大力推廣赫茲的發(fā)現(xiàn)，并向英國(guó)協(xié)會(huì)進(jìn)行介紹。幾乎同時(shí)，赫茲的工作開啟了無(wú)線電報(bào)技術(shù)的發(fā)展之門。最早期的無(wú)線電技術(shù)所采用的發(fā)射器很像赫茲使用的寬帶火花隙裝置。

最終，科學(xué)家們承認(rèn)，這種波的傳播不需要任何介質(zhì)。場(chǎng)這一概念雖然最初因?yàn)槿狈αW(xué)模型而無(wú)法讓人接受，后來(lái)卻成為現(xiàn)代物理學(xué)大部分理論的核心概念。

隨后更多的發(fā)現(xiàn)被不斷提出。而在19世紀(jì)結(jié)束之前，多虧了幾個(gè)狂熱學(xué)者鍥而不舍的努力，麥克斯韋的理論才得以保留下來(lái)。