文/张天荣
与为名利而奋斗的牛顿不同，英国物理学家法拉第（1791-1867）是一位令人尊敬、谦逊的绅士。
法拉第和牛顿还有一个相似之处，那就是他们都出身于贫困家庭。 牛顿能够上大学是因为他的叔叔发现了他的科学兴趣和天赋，而法拉第没有接受过正规教育，完全是自学成才。 法拉第的数学仅限于简单的代数，他甚至不熟悉三角函数。
当时的英国皇家学会主席是著名的汉弗莱·戴维爵士。 大卫被誉为“无机化学之父”，是发现化学元素种类最多的科学家。 法拉第因业余时间参加英国皇家学会的科学讲座而被戴维发现并聘为助理。 法拉第始终没有忘记对戴维的支持，尽管后来戴维对法拉第并不友好，尤其是当法拉第的科学成就和在物理学界的威望超过了戴维本人时，这更加激励了戴维。 魏氏嫉妒心极强。 戴维利用自己的威望和权力打压法拉第，多次阻止他成为英国皇家学会的会员。 事实上，即使在那时，大卫也将法拉第用作助手和仆人。 当大卫带着法拉第周游列国时，大卫的妻子摆出一副高贵的样子，对法拉第指手画脚。 然而法拉第却始终忽视大卫，总是评价大卫是一个伟大的人。 大卫终于被感动了，或许只是出于良心。 在他去世前几年英语作文，当他仍然患有疾病时，他提名法拉第担任皇家学院实验室主任。 大卫临死时，当别人问他一生中最重要的发现是什么时，他没有列出元素周期表中发现的元素，而是自豪地说：“我最伟大的发现就是发现法拉第！”
然而，对于法拉第与大卫的关系，法拉第也做出了一个不明智的举动。 1821年，大卫对奥斯特发现的电磁现象产生了兴趣，尝试与另一位物理学家沃拉斯顿一起进行类似“电动机”的实验，但没有成功。 法拉第不时参与两人的讨论，逐渐形成了自己的想法。 他独自搭建了两个装置，成功产生了电线围绕磁铁旋转的“电磁旋转”现象。 法拉第的方法与戴维和沃拉斯顿的方法完全不同，但他犯了一个错误：他单独发表了自己的研究结果，从而得罪了戴维和沃拉斯顿。 也许这使得大卫对法拉第产生了偏见。 他很长一段时间不让法拉第进行电磁研究，并派他去做光学玻璃实验。
但法拉第对大卫的感激之情贯穿一生，而且是真诚的。 其实，我们还应该感谢大卫。 如果不是他“发现”了法拉第并把他带入了科学的殿堂，人类对电磁定律的发现和应用可能要推迟好几年。
大卫去世后，法拉第就像一匹没有任何束缚的脱缰之马，能够继续他最喜欢的电磁学研究。 他日夜进行大量实验，并将一生的努力总结成三卷本《电的实验研究》。 本书共有3000多个条目，详细介绍了法拉第的实验和结论。
法拉第不仅是一位杰出的实验物理学家，而且对电磁理论问题有着独特的思考方式，至今仍能启发我们。 牛顿经典力学中的“力”是远距离作用。 地球吸引了数十万公里之外的月球。 这个力是如何传递的呢？ 空间扮演什么角色？ 没有人关心这个问题。 只要有一个计算月球精确轨道的公式，大家就满意了。 法拉第在研究电场和磁场时使用了不同的想法。 他在纸上围绕着电荷和磁铁画出了密集的电力和磁力线，并充分发挥想象力将它们延伸到整个空间。 他相信这些力线是真实的，就像弹性橡皮筋一样，可以拉伸并将两个相互作用的电荷连接在一起。 现在看来，法拉第的力线思想实际上就是现代物理学中的“场”概念。 他是第一个认识到相互作用应该通过“场”来实现的物理学家。
法拉第虽然学历不高，但他善于言谈，能用精辟简洁的语言解释物理概念。 他在皇家学院组织了一系列公开讲座，一直持续至今。 1846年4月3日，法拉第原本邀请一位名叫惠特斯通的教授当天做演讲报告。 惠斯通对电线中的电流速度等问题提出了一些有趣的结果，但惠斯通害怕在公共场合讲话并因恐惧而逃跑。 当时法拉第无奈，只能上台发表一场毫无准备的即兴演讲。 也就是说，由于他事先没有想那么多，法拉第的思想自由驰骋，他谈到了许多关于光和电磁理论的不寻常的观点。 其中最有想象力的是电磁理论，它令人惊讶地预测了光。 法拉第认为，空间中充满了电力线和磁力线（图1-2-1（a）），而光可能是由这些力线的某种横向弹性振动产生的。 在这次演讲中，法拉第的大胆猜测震惊了所有人，但没有人明白他在说什么。 法拉第的思想太超前了，他在等待另一位大师的到来。
图1-2-1 法拉第力图（a）和麦克斯韦以太模型（b）
麦克斯韦（詹姆斯·克拉克，1831-1879）出身贵族家庭，自幼受到良好的教育，擅长数学。 当40岁的法拉第已经做了大量的电磁实验并提出著名的电磁感应定理时，麦克斯韦就出生在苏格兰首府爱丁堡。 三十年后，年轻的麦克斯韦和老法拉第结下了终生的友谊，共同建立了电磁王国。
1860年左右，麦克斯韦来到伦敦国王学院任教。 他经常参加英国皇家科学院的公开讲座，并与法拉第定期交流。 麦克斯韦和法拉第，他们的友谊与合作本身就是一种奇妙的“团结”：他们年龄相差40岁，一个年长一个年轻，两人有着完全不同的人生经历。 法拉第出身贫寒，是一位自学成才的实验大师； 麦克斯韦是一位贵族，却是一位不懂实验的数学天才。 但他们互相尊重对方的才华，共同创造了一套与牛顿力学完全不同的宏伟的经典电磁理论体系。
甚至在来伦敦之前，麦克斯韦就已经对法拉第的力线图像产生了兴趣。 他用不可压缩的均匀流体来类比电力线和磁场线，并用流体的速度和方向来表示空间中力线的密度和方向。 经过与法拉第的深入交流与合作，法拉第将电磁现象视为“场”效应的观点深深影响了麦克斯韦。 如何针对这种“场”效应建立合适的数学模型？ 这个问题常常萦绕在麦克斯韦的脑海中。
为了解释法拉第的力线图和“场论”思想，麦克斯韦尝试诉诸以太模型。 然而后来证明，麦克斯韦方程组描述的电磁理论根本不需要以太的存在。 电磁场本身是一种物质，可以在没有任何介质的真空中传播。 但从历史的角度来看，麦克斯韦对当时以太的力学模型进行了深入的研究，他的理论最原始的形式是以“以太”为基础的。 麦克斯韦的“机械以太”模型实际上是半以太和半介质的混合物。
“以太”的概念是古希腊提出的，后来被笛卡尔科学化。 到了17世纪牛顿时代，无论是主张波动论的惠更斯，还是坚持粒子论的牛顿，都认为以太充满了整个宇宙，是光的载体。 因此，以太的存在已经成为人们心中根深蒂固的概念。 麦克斯韦也坚信以太，但为了建立电磁场的数学模型，他需要赋予以太适当的机械性质。 因此，麦克斯韦想象空间中充满了小球，类似于现代的旋转轴承。 它们被较小的颗粒（轴承之间的钢球）隔开，如图1-2-1（b）所示。 这些小球的质量很小，有一定的弹性，小球的变化会互相影响。 基于这种“以太”的力学特性，麦克斯韦提出了位移电流的概念，并成功地将电磁学中的库仑、法拉第和安培定律归纳为麦克斯韦微分方程。
根据麦克斯韦电磁理论，电荷之间的相互作用是通过空间中的电场E和磁场H起作用的，见图1-2-2。 麦克斯韦使用四个对称微分方程来描述电场和磁场的性质以及它们之间的关系。 电场E和磁场H都是三维空间中的矢量场。 所谓“场”，是指物理量是空间位置的函数，每个点都有不同的函数值。 电场E和磁场H对应于电力和磁力。 由于力是矢量英国物理学家法拉第，因此电场和磁场都是矢量场。 它们在空间中的每个点都有 3 个分量，总共有 6 个分量。
图1-2-2 麦克斯韦方程组统一了光、电、磁理论
矢量场在空间中的变化可以用“散度”和“旋度”来描述。 用水流来比喻，“发散”和“卷曲”具有非常直观的几何形象。 水从源头流出并收集在下水道中。 因此英国物理学家法拉第，在水源和下水道附近，水流的流线“发散”或“收敛”，表明发散不为零（活跃源场）。 这种情况与电荷附近的电场类似，见图1-2-2(a)。 电力线（电场力线）从正电荷辐射并会聚到负电荷。 因此，电场的发散度不为零，而是成正比。 为电荷密度 ρv。 如图1-2-2(a)中的方程1所示，这是麦克斯韦的第一个方程。
因为这个世界上有电荷，但没有磁荷，所以磁场与电场不同。 磁铁的南极和北极无法分开。 即使将磁铁分成两部分，您也会得到两个磁铁，但不会得到分离的磁极。 磁场线都是闭环线，这意味着磁场是被动场。 因此，磁场的发散度为零，见图1-2-2(b)。 图1-2-2(b)中的方程2是麦克斯韦第二方程。
图1-2-2(c)和图1-2-2(d)描述的是电场和磁场的旋度。 卷曲的几何图像可以比作水流中的漩涡。 图1-2-2(c)对应麦克斯韦第三方程：磁场相对于时间的变化率等于电场的旋度； 图1-2-2(d)是麦克斯韦第四方程，表示的是电场相对于时间的变化率，它等于磁场的旋度。 这两个方程是对称的，描述了电场和磁场之间的联系：变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场。
经典电磁理论最激动人心的成果就是预言了电磁波的存在，这为法拉第在那次即兴演讲中的大胆推测提供了理论基础。 遗憾的是，法拉第当时年事已高，无法通过实验证实电磁波的存在。 麦克斯韦预言电磁波两年后，法拉第去世。 麦克斯韦本人只活了48岁，并没有等到电磁波的实验证实。
第一个通过实验观察电磁波的人是海因里希·赫兹 ( Hertz)，他于 1887 年（即麦克斯韦去世八年后）发现了光电效应。 时至今日，麦克斯韦方程组已成立近 150 年。 电磁波漫天飞舞，携带着无数信息，让世界热闹非凡。