第二十三章 麦克斯韦和 “科学呆子”
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来代替它们。实际上,他们一开始也和我们大家一样,有着感觉舒服的、标准的、通常的概念。问题在于自然并不遵从人们的愿望。如果我们不再坚持我们认为自然应该怎样去行为的观点,而是以一种开放和接纳的思想去面对自然,我们就发现通常的感觉是错误的。为什么是错误的呢?因为我们关于自然规律的认识,不论是先天的还是学来的,都是在数百万年中当我们的祖先还过着群居的狩猎生活时所形成的。在这种情况下通常的感觉就是一种不可信赖的导引,因为狩猎的群居者不是靠对变化的电磁场的理解来指导自己的生活的。不了解麦克斯韦方程组也不会受到进化过程中的任何惩罚。但在我们今天的时代,情况就不同了。
麦克斯韦方程组表明了快速变化的电场应能产生电磁波。1888年,德国物理学家海因里希·赫兹在实验中发现了一种新的辐射波——无线电波。七年以后,英国剑桥的科学家在1000米的距离之外传输了无线电信号。到1901年,意大利的马可尼用无线电波进行穿越大西洋的通讯。
现代社会通过广播塔、微波转播和通讯卫星建立起来的经济、文化和政治上的广泛联系都直接产生于麦克斯韦在他的真空状态下的方程组中包含位移电流的判断。电视也是源自他的发现,它并不十分完美地指引着我们的生活并提供娱乐。雷达成为英国在二战时反击侵略和粉碎纳粹的战斗中的决定性因素(我们所认为的那个与社会总是感到不和谐的人的发明影响到未来,并且拯救了那些使他感到十分不舒服的人的后代)。飞机、船舶和宇宙飞船的控制与导航,射电天文学和探索外星智能以及电力和微电子工业的重要作用都要归功于麦克斯韦。
另外,法拉第和麦克斯韦关于场的概念对于理解原子核、量子力学和物质的精细结构都具有重大的影响。他将电、磁、光统一成为一种连续的数学整体形式的思想促使后人为此作出了最后的尝试——有的获得了成功,有的还处于初试阶段——将物理世界的各个方面,包括引力和核力,统一为一个宏大的理论。我们可以毫无夸张地说,麦克斯韦引导我们进入了现代物理的时代。
理查德·费因曼用下面的文字阐述了我们关于麦克斯韦的变化的电磁矢量的寂静的世界的观点:
让我们尝试着想象一下电磁场在这个讲演厅的空间中是个什么样子。首先,这里有一个固定的磁场,它来自地球内部的流体——即地球本身固有的磁场。还有不规则的基本上属于静电场的场,它们可能是由于许多人在他们的椅子上挪动或将衣袖在椅子扶手上磨擦而产生的。还有一些通过电线中的振荡电流而产生的磁场,这些场以每秒60个周期的频率变化,与博尔德水坝的发电机同步。更有趣的是电磁场以更高的频率变化。比如,当光从窗户到地板,从一面墙到另一面墙时,就有以每秒18.6万英里的速度运动的电磁场的振荡。此外还有从温暖的前额