電磁理論是如何誕生的？
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要紀念偉大的物理學家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋，絕不缺少場合。倫敦威斯敏斯特大教堂中，在離艾薩克?牛頓墓碑不遠的地方，就有一座麥克斯韋的紀念標誌。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，你也可以去他最後的安息之地，位於蘇格蘭西南部的道格拉斯城堡附近，距離他心愛的祖屋並不遠。此外，還修建了麥克斯韋的紀念碑以紀念這位首次提出統一的物理理論、說明電學與磁學密切相關的第一人。
但這些紀念標誌並沒有反映出的是，在1879年麥克斯韋去世時，他的電磁理論（這個理論在很大程度上支撐著我們的現代科技世界）的基礎並不牢固。
這個世界的大部分信息——光、電流和磁場的基本定律——都可歸結為4個簡單的方程式。這些方程現在統稱為麥克斯韋方程組，是工程和物理入門教科書的必備內容。
可以說，麥克斯韋方程組是在整整150年前誕生的，當時麥克斯韋在倫敦皇家學會上介紹了將電學和磁學統一起來的理論，並於次年，即1865年發表了一份完整的報告。正是他所做的這些工作，為隨後物理、通信和電氣工程界的偉大成就奠定了基礎。
但理論的提出和實際應用之間還有很遠的距離。在麥克斯韋理論首次提出後，因其繁瑣的數學公式以及有悖於傳統的概念，這一理論被忽視了很長一段時間。
一小群沉迷於探索電磁奧秘的物理學家花了近25年的時間鞏固了麥克斯韋的理論。正是他們收集了所需的實驗證據，確認了光由電磁波組成，也正是他們賦予了麥克斯韋方程組現在的形式。如果沒有「麥克斯韋派學者（Maxwellians）」——此命名出自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的歷史學家布魯斯?J?亨特（Bruce J. Hunt）——的艱巨努力，現代電學和磁學理念要得到廣泛採用還要多花幾十年的時間，而且隨後所有不可思議的科技進步也會推遲。
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我們現在已經知道，可見光只是很寬的電磁波譜中的一段，其輻射由振蕩電場和磁場構成。而且我們知道，電與磁密不可分；不斷變化的磁場會產生電場，而電流和不斷變化的電場又會產生磁場。
我們要感謝麥克斯韋在這些基本觀點方面所作的貢獻。但這些想法並不是突然從他腦海中冒出來的，相關的啟示和證據是在五十多年的時間裡一點一滴積累起來的。
這一過程可以從1800年亞歷桑德羅?伏特宣布發明電池開始算起，電池的發明使得科學家們開始在實驗中應用持續的直流電。約20年後，漢斯?克里斯蒂安?奧斯特獲得了電與磁相關聯的首個證據。當他將載流導線放到指南針附近時，磁針發生了偏轉。之後不久，安德烈-馬里?安培的實驗顯示，兩條平行的載流導線彼此會發生相吸或相斥的現象，吸引或排斥取決於電流的相對流向。到19世紀30年代初，邁克爾?法拉第的實驗展示了磁鐵穿過線圈時會產生電流。這證實了磁鐵也可以影響電，正如電可以影響磁鐵那樣。
這些觀察結果只是表象的零星數據，在當時沒有一個人具備真正全面、系統的認識。到底什麼是電流？載流導線如何影響磁鐵，使其偏轉？移動的磁鐵又如何產生電流？
法拉第起到了推動性作用，他設想：磁鐵周圍存在一個神秘且不可見的「電子態」，我們今天稱之為「場」。他認為，這種電子態的變化是產生電磁現象的原因。法拉第還推測光本身就是一種電磁波。但要將這些想法轉變成一個完整的理論超出了他的數學能力。這時麥克斯韋出現了。
19世紀50年代，麥克斯韋從英國劍橋大學畢業後，試圖從數學角度說明法拉第的觀察和理論。最初，他在1855年發表了題為《論法拉第力線》的論文，通過類比設計了一個模型，說明了用於描述不可壓縮流體的方程也可以用來解決無變化電場或磁場的問題。
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找到一份工作，花費數年進行土星環穩定性的數學研究；1860年因高校合併被解僱；後來感染天花險些喪命；最後找到一份新工作，在倫敦大學國王學院擔任教授。
儘管如此，在經歷這些變故的過程中，麥克斯韋仍然抽出時間來完善法拉第的場論。他於1861年和1862年分幾部分發表了一篇論文。儘管並非完整的電磁學理論，但這篇論文已被證實是一塊相當重要的理論跳板。
麥克斯韋在以前想法的基礎上，設想了一種分子介質，其中的磁場是渦旋陣列。每一個渦旋周圍都是某種形式的小顆粒，使旋轉狀態從一個漩渦擴散至另一個漩渦。雖然後來麥克斯韋並未就這種設想開展研究，但他發現這個力學視角有助於描述一系列的電磁現象。而最重要的是，它為位移電流這一新概念奠定了基礎。
位移電流並不是真的電流。它是描述變化電場在某一特定區域產生磁場的方法，就像電流產生磁場那樣。在麥克斯韋的模型中，如果電場的變化導致渦流介質中粒子位置的瞬時變化，就會產生位移電流。這些粒子的運動產生電流。
位移電流最主要的表現形式體現在電容器上，在其中的一些電路中，電容兩個極板之間存儲的能量在高低值之間振蕩。很容易想像麥克斯韋的機械模型是如何在該環境中運作的。如果電容器包含一種絕緣的電介質材料，就可以認為位移電流是由原子核周圍電子的運動產生的。這些電子從電容的一側到另一側來回擺動，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。它可以在任何介質（包括沒有電子存在的真空）中產生。而且就像真正的電流一樣，會產生磁場。
增加了這一概念後，麥克斯韋就掌握了將可測量的電路屬性與兩個現已停用的常量（描述對應電壓或電流形成電場和磁場的難易程度）聯繫起來所需的基本元素。（現在，我們用另一種形式表達這些基本常數，即真空介電常數和磁導率。）
好比彈簧常數決定彈簧拉伸或壓縮後的反彈速度一樣，這些常數結合起來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驗得到確定數值之後，麥克斯韋就能估計電磁波在真空中的傳播速度。當他將這個值與現有的光速估計值進行比較時，他根據近似相等性得出結論，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，完成了電磁理論最後的關鍵部分（儘管他在後來的工作中進行了一些簡化）。他在1864年的演講和隨後的文章中，放棄了力學模型，但保留了位移電流的概念。他側重數學運算，描述了電學與磁學的聯繫，以及電和磁一旦生成，如何一起移動形成電磁波。
這項工作是現代電磁學的基礎，為物理學家和工程師們提供了計算電荷、電場、電流和磁場之間關係的工具。
這本來應是一個成功的創舉，但在當時卻遭到嚴重的質疑，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（受勛後名為開爾文男爵）就是持最強烈反對態度的懷疑者之一。湯姆森是當時英國科學界的領導者，根本不相信可能存在位移電流這回事。
他的反對很正常。想像在充滿原子的電介質中存在位移電流是一回事，想像它在真空中形成就是另一回事了。因為沒有力學模型來描述這種環境，沒有實際移動的電荷，什麼是位移電流或位移電流如何形成並不明確。維多利亞時代的許多物理學家都無法接受沒有力學模型的理論。而如今，一個物理理論只要嚴謹且有很強的預測力，即使違背常理，我們也願意接受，比如量子力學。
麥克斯韋同時代的其他人認為他的理論中還存在其他嚴重的缺陷。例如，麥克斯韋假設振蕩的電場和磁場共同形成電磁波，但他沒有說明它們如何在空間中移動。當時已知的所有波都需要傳播介質。例如聲波在空氣和水中傳播。因此，當時的物理學家推斷，如果電磁波存在，必須要有傳播介質，即使這種介質不可見、不可感知或不可觸摸。
麥克斯韋也相信這樣一種介質或媒質是存在的。他預測這種介質充滿所有的空間，電磁特性就是這種介質中壓力、張力和運動的結果。但麥克斯韋在1865年及後來的兩卷著作《電磁學通論》中提到了他的方程組，卻沒有給出任何力學模型來說明這些神秘的電磁波為何可能傳播或如何傳播。對於許多同時代的人而言，模型的缺少使得麥克斯韋的理論看起來很不完整。
也許最關鍵的是，麥克斯韋自己對這個理論的描述也非常複雜。如今的大學生們，面對包含4個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複雜。精簡公式所需的數學技巧在麥克斯韋開展工作時並沒有完全成熟。具體來說，就是需要矢量演算，以三維的方式簡化矢量的微分方程。
如今麥克斯韋的理論可以通過4個方程來概括。但當時他的公式包括20個聯立方程，20個變數。方程的維分量（x，y和z方向）都單獨闡述。同時，他還採用了一些有悖常理的變數。今天，我們對電場和磁場早已習以為常。但麥克斯韋主要是利用另一種場，他稱之為電磁動量，進而利用這種動量來計演算法拉第首先設想的電場和磁場。麥克斯韋選擇這個名稱（現稱為磁矢勢）可能本來就是指這種場，因為磁矢勢以時間求導就得到了電場力。但要計算邊界處發生的許多簡單的電磁現象（如電磁波如何在一個導電錶面反射），磁矢勢對我們而言沒什麼好處。
所有這些複雜性導致的最終結果就是，麥克斯韋理論提出後，幾乎沒有得到任何人的關注。
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但也有少數人注意到了。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。曾有一個朋友形容他為「頭號怪胎」，但他卻自學了先進的科學和數學。
20歲出頭的赫維賽德在英格蘭東北部紐卡斯爾作報務員時，得到了麥克斯韋1873年出版的《電磁學通論》。他後來寫道：「我越來越覺得這本書很偉大，於是下定決心要掌握這本書並深入研究。」第二年，他辭去工作，搬到父母家開始學習麥克斯韋的理論。
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得以傳遞的？
赫維賽德最後得到的結果與英國另一位物理學家約翰?亨利?坡印亭已經發表的成果相同。但他繼續研究，並在複雜的向量演算過程中，偶然發現了將麥克斯韋方程組改寫為今天使用的4個方程的方法。
問題的關鍵是消除麥克斯韋奇怪的磁矢勢。赫維賽德後來說：「之前我沒有取得任何進展，直到把所有的磁矢勢都拋開。」新的公式將電場和磁場置於中心。
改進後的麥克斯韋方程組呈現了數學的對稱性。4個方程中，一個描述了不斷變化的磁場如何產生電場（法拉第的發現），還有一個說明不斷變化的電場如何產生磁場（著名的位移電流，由麥克斯韋補充）。
這一表述同時也揭示了一個謎題。帶電粒子，比如電子或離子，周圍的電場線是由其自身發出的。但磁場線卻沒有源頭：在已知的宇宙中，磁力線是連續的弧線，沒有起點或終點。
這種不對稱讓赫維賽德感到困擾，所以他創造了一個術語表示磁「電荷」，假設它還沒有被發現。而它至今也尚未被發現。物理學家們進行了廣泛的研究，探索是否有這樣的磁荷，也被稱為磁單極子。但是，這種粒子從未被發現。
不過磁流仍是解決一些有關幾何形狀的電磁問題（如分析穿過導電板裂縫的輻射行為）的有用技巧。
既然赫維賽德對麥克斯韋方程組進行了改寫，那麼我們為什麼不能稱它們為赫維賽德方程組？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問題。他寫道，如果我們有充分的理由「相信麥克斯韋本人會認同公式改動的必要性，那麼我想完善後的理論還是稱為麥克斯韋理論比較好。」
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數學的優雅是一回事，要找到麥克斯韋理論的實驗依據則是另一回事。麥克斯韋於1879年去世，終年48歲。在他去世後，他的理論仍然被認為不完整。除了可見光和電磁輻射的速度似乎匹配外，沒有經驗證據證明光由電磁波構成。此外，麥克斯韋沒有具體闡述電磁輻射作為光的構成部分應具有的許多特質，比如反射和折射等。
物理學家喬治?弗朗西斯?菲茨傑拉德（GeorgeFrancis FitzGerald）和奧利弗?洛奇（Oliver Lodge）努力探索電磁波與光的聯繫。他們是麥克斯韋1873年《電磁學通論》的支持者。麥克斯韋去世的前一年，兩人在英國科學促進協會於都柏林的會議上碰面後，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麥克斯韋理論的理論認識。
正如歷史學家亨特在他的著作《麥克斯韋派學者》（TheMaxwellians）中所說的那樣，洛奇和菲茨傑拉德也希望找到實驗證據來支持光是一種電磁波的想法。但他們並沒有取得多大成功。19世紀70年代後期，洛奇開發了一些電路，他希望這些電路能夠將低頻電轉化為更高頻率的光，但以失敗告終。洛奇和菲茨傑拉德意識到他們的方案產生的輻射頻率過低，肉眼無法發現。
近10年之後，洛奇在進行防雷實驗時注意到，電容器沿電線放電會產生電弧。出於好奇，他改變了導線長度，發現出現了驚人的火花。他正確地推斷出，這是電磁波在諧振中的作用。他發現，如果功率足夠大，電線周圍的空氣居然會發生電離，這是駐波的明顯例證。
洛奇深信他已經製造出並探測到電磁波，於是計劃從阿爾卑斯山度假回來後就在英國協會的會議上報告這一驚人的成果。但他在乘坐離開利物浦的火車上看雜誌時發現，這項成果被搶先發布了。他在1888年7月的《物理年鑒》中發現了一篇題為《空氣中的電動波及其反射》（überelektrodynamische Wellen im Luftraum und deren Reflexion）的文章，作者是一位當時不太有名的德國研究員海因里希?赫茲。
1886年赫茲在德國卡爾斯魯厄技術大學（現卡斯魯卡斯理工學院）開始這一課題的實驗工作。他注意到，電容器通過線圈放電時會發生奇怪的現象。附近相同的線圈在未連接的終端產生電弧。赫茲認識到，未連接線圈因接收到放電電容所連接的線圈產生的電磁波而產生火花。
赫茲受到啟發，用這種線圈中的火花檢測看不見的射頻波。他繼續進行實驗，以驗證電磁波會產生類似於光的反射、折射、衍射和偏振的現象。他在自由空間以及導線情況下進行了一系列的實驗，用模子造出無線電波可穿透的一米長的瀝青稜鏡，並用它來觀察規模比較大的反射和折射。他向平行導線的柵格發射無線電波，顯示電波反射或穿過網格會取決於網格的方向。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。赫茲還在一大塊鋅板上反射無線電波，測量產生的駐波中抵消現象間的距離，以確定它們的波長。
利用這些數據以及輻射頻率（通過測量他電路中的電容和電感得出），赫茲能夠計算無形電磁波的速度，這種速度與可見光的已知速度非常接近。
麥克斯韋曾推測，光是一種電磁波。赫茲的實驗顯示，很可能存在一個完整的無形電磁波世界，這些電磁波的運作方式像可見光一樣，且以相同的速度通過空間移動。根據推理，這一實驗足以讓很多人接受光本身是一種電磁波的說法。
洛奇雖然因別人搶先發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。洛奇和菲茨傑拉德在英國協會會議開始前就大力推廣赫茲的發現，並向英國協會進行介紹。幾乎同時，赫茲的工作開啟了無線電報技術的發展之門。最早期的無線電技術所採用的發射器很像赫茲使用的寬頻火花隙裝置。
最終，科學家們承認，這種波的傳播不需要任何介質。場這一概念雖然最初因為缺乏力學模型而無法讓人接受，後來卻成為現代物理學大部分理論的核心概念。
隨後更多的發現被不斷提出。而在19世紀結束之前，多虧了幾個狂熱學者鍥而不捨的努力，麥克斯韋的理論才得以保留下來。
作者：James C. Rautio
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