《魔鬼出没的世界》第87章

负豕饕惑瘢裁矗恳蛭⌒缘目蒲Чぷ骰姑挥凶觥?860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”（maxwells　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?