摘要：我们要讲述的这个男人，一生中大部分时间都待在书房、教室和实验室里。他留着一副在今天看来绝对有资格加入任何一支独立摇滚乐队的大胡子，性格温和，爱写蹩脚的诗，并且对他的狗“托比”宠爱有加。

我们要讲述的这个男人，一生中大部分时间都待在书房、教室和实验室里。他留着一副在今天看来绝对有资格加入任何一支独立摇滚乐队的大胡子，性格温和，爱写蹩脚的诗，并且对他的狗“托比”宠爱有加。

他用一支笔和几行数学公式，驯服了宇宙中最狂野、最神秘的两头巨兽，然后告诉我们，这两头巨兽，实际上是同一头神兽的两个不同侧脸。最后，他还顺便预言了一个全新的、肉眼看不见的世界的存在——一个由无形波浪构成的世界。

我们今天生活的整个现代文明——你的手机、Wi-Fi、广播、电视、卫星导航、微波炉——所有这一切，都只不过是他那个预言所激起的涟漪。阿尔伯特·爱因斯坦，那个后来重新定义了时空的家伙，在他的书房墙上，只挂了三张像片：一张是艾萨克·牛顿，一张是迈克尔·法拉第，还有一张，就是我们今天的主角。爱因斯坦曾说：“他的理论，是自牛顿以来，物理学所经历的最深刻、最富有成果的变革。”

他是谁？他究竟做了什么，能让他与牛顿和爱因斯坦平起平坐？他是如何“看见”那些无人能见之物的？

他就是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。

“电”和“磁”

19世纪中叶。维多利亚女王正值盛年，工业革命的蒸汽机车正拖着浓烟滚滚向前。世界在牛顿那座宏伟、精确、如钟表般运行的宇宙模型里，安然地运转了近两百年。万物皆有其因，皆循其轨，一切都可以被计算和预测。

但在这座秩序井然的大厦之下，有一些东西……一些奇怪的东西，正在地下室里窃窃私语。

那时的“电”和“磁”，就是物理学界的两个“幽灵”。它们真实存在，却又行踪诡秘。人们知道，用丝绸摩擦过的琥珀可以吸引羽毛（静电）；也知道，地球本身就像一块巨大的磁铁，能让罗盘的指针永远指向北方。富兰克林已经用风筝把天上的闪电引了下来，证明了它也是一种电。

但这两个“幽灵”究竟是什么？它们从何而来？它们之间有什么关系吗？

1820年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特在一次讲座中，偶然发现了一个惊人的现象：当他接通电流时，旁边的小磁针居然偏转了。这个发现，像一道闪电，第一次照亮了电和磁之间那条幽暗的通道——电流可以产生磁场！

这个发现，引发了一场科学界的淘金热。无数科学家投身其中，试图抓住这两个滑溜溜的“幽灵”。其中最伟大的一位，是迈克尔·法拉第。他是一个铁匠的儿子，几乎没受过正规教育，全靠自学成才。法拉第没有复杂的数学工具，但他拥有一样更宝贵的东西：无与伦比的物理直觉和想象力。

法拉第不相信当时流行的“超距作用”理论（即物体可以隔空瞬间相互作用）。他“看见”了磁铁和电线周围，存在着一些看不见的“力线”。他想象着这些力线像紧张的橡皮筋一样，充满了整个空间。正是这些力线的扰动，传递着力和能量。他还发现，变化的磁场可以产生电流——这就是电磁感应定律，也是今天发电机和变压器的基本原理。

法拉第，几乎凭一己之力，摸清了电和磁这两个“幽灵”的大部分脾性。他把它们关进了实验室，让它们为人类服务。但他有一个巨大的遗憾：他无法用数学语言，去精确地描述他所“看见”的那个由力线构成的无形世界。他的发现，就像一堆零散的、充满了神秘力量的咒语，威力无穷，却无人能解其内在的语法和逻辑。

那个叫“Dafty”的天才少年

1831年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦出生在苏格兰爱丁堡一个富裕的乡绅家庭。他从小在家族庄园格伦莱尔长大。那是一个远离尘嚣、被大自然环抱的地方。

与其他孩子不同，小麦克斯韦对世界抱有无穷无尽的好奇心。他的口头禅是：“那是什么原理？”无论是流水的潺潺声，还是阳光下斑驳的树影，他都想知道背后的原因。如果大人给他的回答含糊其辞，他会继续追问：“但具体的原理是什么？”

这种刨根问底的劲头，加上他那身家里手工缝制的、在城里孩子看来土里土气的衣服，让他在进入爱丁堡公学后，得到了一个不太友好的绰号：“Dafty”（傻瓜、呆子）。

然而，这个“傻瓜”，很快就将让所有人大跌眼镜。

14岁那年，当他的同学们还在为拉丁语焦头烂额时，麦克斯韦已经写出了他的第一篇科学论文。这篇论文，是关于一种用一根绳子和两个图钉画出完美卵形曲线（Oval）的几何方法。这个方法是如此的原创和优雅，以至于他的老师不敢相信这是一个14岁孩子能想出来的。这篇论文最终由爱丁堡大学的一位教授，在爱丁堡皇家学会上代为宣读——因为他们觉得，让一个穿着短裤的小屁孩登上如此庄重的学术殿堂，实在有点不成体统。

麦克斯韦的大脑，似乎天生就有一种将复杂的物理现象，转化为清晰的几何图像和数学模型的能力。他不像我们大多数人那样思考。我们看到一个彩虹，会感叹它的美丽。麦克斯韦看到彩虹，大脑里会自动浮现出光线在无数水滴中折射和反射的几何路径图。

16岁，他进入爱丁堡大学。三年后，他转入剑桥大学的三一学院，那是牛顿的母校，也是当时全世界物理学和数学的最高殿堂。

在剑桥，麦克斯韦的天才得到了尽情的释放。但他并不是一个一心只读圣贤书的书呆子。他精力充沛，热爱社交，喜欢和朋友们进行哲学辩论，还写了大量的、质量参差不齐的诗歌。他是一个虔诚的基督徒，但他对信仰的理解，也充满了科学家的思辨精神。

他最著名的一个“玩具”，是一个自己设计的陀螺。这个陀螺制作得极其精密，他用它来做各种关于旋转动力学的实验。他经常在深夜里，独自一人在学院的阁楼或者空地上，观察这个小小的陀螺如何对抗重力，展现出奇妙而优美的运动。对他来说，这个陀螺，就是整个宇宙行星系统运转的一个缩影。

他另一项令人着迷的研究，是关于颜色的。当时人们已经知道，白光可以被三棱镜分解成彩虹的颜色。但颜色是如何被我们感知的？麦克斯韦设计了一个“色盘”，盘上可以调整红、绿、蓝三种颜色的比例。通过快速旋转这个色盘，他可以混合出几乎所有可见的颜色，包括白色。他用数学方法，精确地证明了，人类的色彩感知，是基于眼睛里三种不同的感光细胞。

1855年，他利用这个原理，拍摄了世界上第一张彩色照片。他让摄影师分别透过红色、绿色和蓝色的滤镜，拍摄了三张黑白照片，然后用三台幻灯机，将这三张照片透过相应颜色的滤镜，重新投影叠加在一起。最终，一条苏格兰格子呢的缎带，以其真实的色彩，呈现在观众面前。

在那个只有黑白影像的时代，这无异于一场魔术。

从绘制卵形曲线，到拍摄彩色照片，再到分析土星环的稳定性（他后来用纯数学计算证明了土星环不可能是固体的或液体的，而必须是由无数独立的小颗粒组成的，这个结论在一百多年后才被旅行者号探测器所证实），麦克斯韦似乎对宇宙间的一切谜题都充满了兴趣。

但很快，他将要面对他一生中最大的挑战。那个由法拉第从黑暗中召唤出来，却又无法完全驯服的、关于电和磁的“幽灵世界”。

1855年，在写给朋友的一封信中，麦克斯韦提到，他正在把自己的全部精力，转向“电”这个课题。他已经通读了法拉第所有的实验报告。

为幽灵构建的机械装置

当麦克斯韦开始着手整理法拉第那庞大而混乱的实验成果时，他面临的第一个问题是：如何为那些看不见的“力线”建立一个数学模型？

他没有直接跳进抽象的方程式。他做了一件非常有“麦克斯韦特色”的事情：他先构建了一个物理模型，一个能帮助他“看见”和“感觉”到这些力线如何运作的机械装置。

这个模型，在今天看来，简直是异想天开，充满了维多利亚时代蒸汽朋克式的想象力。

麦克斯韦认为，整个空间，都充满了无数个微小的、旋转的“以太漩涡”（Aether Vortices）。这些漩涡，就像一个个小小的、旋转的齿轮。它们的旋转轴线，就代表了法拉第的磁力线的方向，旋转的速度，则代表了磁场的强度。

这是一个很巧妙的想法，它解释了为什么磁力线会互相排斥（两个同向旋转的齿轮会互相推挤）。但这个模型有一个问题：如果整个空间都塞满了紧挨着一起旋转的齿轮，它们很快就会因为摩擦而卡死。

于是，麦克斯韦又引入了一个更奇妙的元素。他在这些旋转的“磁场齿轮”之间，又加入了一层更小的、可以自由滚动的“滚珠”。这些小小的滚珠，就像是齿轮之间的润滑剂，它们可以反向滚动，使得相邻的齿轮能够同向旋转而不至于卡住。

麦克斯韦赋予了这些小小的“滚珠”一个物理身份：它们就是“电流”！

在这个疯狂的、由无数齿轮和滚珠构成的宇宙机械模型里：

这个模型，完美地解释了奥斯特的发现：当小滚珠（电流）开始流动时，它们会带动周围的大齿轮（磁场）开始旋转。它也完美地解释了法拉第的发现：当大齿轮（磁场）的转速发生变化时，它们会推挤旁边的小滚珠（电流），让它们流动起来。

到目前为止，这只是对已知现象的一个巧妙的、机械化的翻译。但接下来，麦克斯韦，从他自己构建的这个疯狂模型中，发现了一个被所有人都忽略了的关键线索。

他问了自己一个问题：如果这些齿轮本身是由某种弹性的“以太”物质构成的，那么当它们被推挤或加速旋转时，会发生什么？

答案是，它们会发生形变。就像你挤压一个橡胶球一样，它会暂时变形，然后再弹回来。在这种情况下，即使小滚珠（电流）没有真正地“流动”起来，仅仅是这种“变形”本身，这种在原地发生的“位移”，也能够像真正的电流一样，去推动下一个齿轮旋转。

麦克斯韦将这种由弹性变形产生的、虚拟的电流，命名为“位移电流”。

我在这里停留一下，因为这个“位移电流”，是整个现代物理学大厦的一块奠基石。在麦克斯韦之前，所有人都认为，电流必须是在导线里流动的电荷。但麦克斯韦指出，即使在空无一物的真空里（比如电容器的两个极板之间），变化的电场，也能够像电流一样，产生磁场。

这个想法，在当时看来，是彻头彻尾的异端邪说。没有流动的电荷，哪来的电流？这就像说，没有流动的河水，却能推动水车一样不可思议。

但麦克斯韦对他那个充满了齿轮和滚珠的疯狂模型，充满了信心。他把这个新发现的“位移电流”，加入到了他正在构建的数学方程组中。

然后，他开始进行计算。他将所有的方程进行整理、简化，试图从中推导出一个关于电磁波动的方程。他想知道，如果我在空间某处，用电或者磁，进行一次“搅动”，这个扰动会以多快的速度传播出去？

他从方程中，推导出了一个关于这个速度的表达式。这个速度，仅仅取决于两个常数：一个是真空中的电容率（ε₀），另一个是真空中的磁导率（μ₀）。这两个常数，在当时的实验室里，已经被很多科学家测量过了。它们只是两个看起来平平无奇的、与电和磁有关的物理量。

麦克斯韦拿起了笔和纸，将这两个常数的测量值，代入了他的公式。

接下来发生的事情，是科学史上最令人心潮澎湃的时刻之一。

他算出的那个数字，大约是 3 x 10⁸ 米/秒。

这个数字，让他浑身一震。他立刻意识到了这个数字的意义。因为在几年前，法国物理学家阿曼德·斐索刚刚用旋转齿轮法，精确地测量了另一个完全不相干的物理量——光的传播速度。

斐索测出的光速，和麦克斯韦用纯粹的电磁常数算出的波速，在实验误差范围内，是完全一样的。

这绝对不可能是巧合。

在一个寂静的苏格兰夜晚，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，独自一人在他的书房里，窥见了宇宙最深处的一个秘密。那个困扰了人类几千年的、关于“光”的本质的谜题，在他笔下，轰然解开。

光，不是粒子，也不是什么神秘的流体。光，就是一种电磁波。

它和磁铁的吸力、琥珀的吸引力，是同一种东西。它就是以特定频率振荡的、在空间中传播的电场和磁场。我们眼睛所看见的彩虹，和指南针的偏转，背后遵循的是同一套宇宙法则。

法拉第凭直觉“看见”的力线，麦克斯韦用他那疯狂的机械模型“摸”到了它的脾性，最终，在数学的熔炉里，炼成了四行简洁、优美、充满了神性的方程式。

这，就是著名的“麦克斯韦方程组”。

它们庄严地宣告：电和磁，这两个纠缠了人类几个世纪的“幽灵”，被彻底驯服了。不仅如此，它们还被统一在了一面叫做“电磁场”的华丽旗帜之下。而光，就是这面旗帜上最耀眼的徽章。

这是自牛顿用万有引力统一了天上的行星运动和地上的苹果下落之后，人类物理学史上最伟大的一次统一。

但这还没完。麦克斯韦的预言，比他已经证明的，还要疯狂。他的方程预示，可见光，仅仅是整个“电磁波谱”中，一个极其狭窄的频段。在红光之外，和紫光之外，还应该存在着无数种我们看不见的“光”——无线电波、微波、X射线……

他预言了一个全新的、不可见的、但却真实存在的“幽灵世界”。

当时，没有人知道该如何去寻找这个“幽灵世界”。麦克斯韦自己，也因为身体原因和当时实验条件的限制，没能亲眼证实自己的预言。

麦克斯韦妖

就在完成了电磁学领域的这场统一之后，麦克斯韦并没有停下他的脚步。他的那颗永不停歇的好奇心，又转向了另一个当时新兴的、同样充满了迷雾的领域：热力学和气体动力学。

当时的物理学家们，正在与一个幽灵般的定律搏斗——热力学第二定律。这个定律，用最通俗的话说，就是“宇宙正在变得越来越懒、越来越乱”。热量总是自发地从热的物体流向冷的物体，而不会反过来。一个打碎的鸡蛋，永远不会自动变回一个完整的鸡蛋。宇宙的总“熵”（一种衡量无序程度的量）永远在增加。

这个定律，像一个悲观的预言，宣告了宇宙最终的命运将是“热寂”——一片死寂的、温度均匀的、没有任何能量流动和生命存在的冰冷虚空。

大多数人都接受了这个略带伤感的宇宙宿命。但麦克斯韦，这个骨子里充满了苏格兰式奇思妙想和一丝顽皮的男人，决定要挑战一下。

于是，他构思出了一个科学史上最著名的思想实验，一个旨在“嘲弄”热力学第二定律的场景。

想象一个装满了气体的、与外界完全隔绝的盒子。盒子中间，有一块隔板，隔板上有一个极小的、可以开关的门。现在，我们雇佣一个“小妖”来看守这扇门。

这个小妖，眼疾手快，能看清每一个气体分子的运动速度。它的任务是：当它看到一个速度很快的（热的）分子从左边飞向小门时，就迅速把门打开，让它过去；当它看到一个速度很慢的（冷的）分子从右边飞向小门时，也迅速把门打开，让它过去。而对于其他所有情况，它都把门关得紧紧的。

经过一段时间，会发生什么？

所有的“热”分子，都将被筛选到盒子的右半边；而所有的“冷”分子，都将被筛选到盒子的左半边。最终，这个盒子，在没有任何外界能量输入的情况下，自动地、从一个温度均匀的混乱状态，变成了一个一边热、一边冷的有序状态。热量，从冷的一边，“自发地”流向了热的一边。

这个思想实验，似乎……公然违背了热力学第二定律！

麦克斯韦创造这个“小妖”，当然不是为了真的推翻热力学第二定律。他是在用这种极富戏剧性的方式，来探讨一个更深层次的问题：热力学第二定律，到底是一个绝对的、像牛顿定律那样不可违背的“硬法则”，还是一个仅仅在宏观尺度上成立的“统计学法则”？

他的结论是后者。对于单个分子来说，没有什么能阻止一个快的分子和一个慢的分子发生任何形式的碰撞。但对于数以亿亿亿计的分子组成的宏观气体来说，整体趋势“几乎总是”趋向于更混乱、更均匀的状态。就像你摇晃一盒黑白两种颜色的沙子，它们“几乎总是”会混合得更均匀，而几乎不可能自动分离成泾渭分明的两层。

麦克斯韦的这个“小妖”，在物理学界引发了长达一个多世纪的深刻讨论。它最终导向了一个革命性的、连接了物理学和计算机科学的概念——信息。后来的物理学家，如利奥·西拉德指出，这个小妖要想完成它的筛选工作，它必须先要“获取信息”（知道哪个分子快，哪个分子慢），而获取和处理信息本身，是需要消耗能量、并产生熵的。这个过程所增加的熵，恰好抵消了它通过筛选分子所减少的熵。

最终，热力学第二定律的尊严，被保住了。

但麦克斯韦的这个思想实验，其意义远远超出了热力学本身。它第一次，将“信息”这个看似主观的概念，与“熵”这个客观的物理量，紧密地联系在了一起。它像一个幽灵，预示了百年之后，克劳德·香农的信息论和整个数字时代的到来。

与此同时，他还接受了一项新的任命。他回到了他心爱的剑桥，担任新成立的卡文迪许实验室的第一任主任。他亲自设计了实验室的布局，采购了最先进的仪器，并为未来的实验物理学家，制定了一套严谨的、注重精确测量的研究范式。

然而，就在他为物理学的未来铺平道路的时候，他自己的生命，却正在悄然走向终点。他没能看到他最伟大的预言被证实的那一天。他就像一个指着远方、告诉世人那里有新大陆的先知，却在船队扬帆起航之前，就与世长辞了。

幽灵世界的回响

1879年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦因胃癌去世，年仅48岁。这与他的母亲在他年幼时死于同一种疾病的年龄，惊人地一致。

他的去世，在当时的公众世界，并没有引起太大的波澜。他不像牛顿那样，被奉为国葬英雄；也不像后来的爱因斯坦那样，成为家喻户晓的时代偶像。他就像他一生研究的那些无形的力量一样，安静地来，又安静地去。

他的方程组，在他去世时，也仍然被许多物理学家视为一种过于抽象、缺乏物理实在性的数学游戏。那个由他预言的、充满了各种频率电磁波的“幽灵世界”，依然沉寂无声。

直到他去世后的第八年，1887年。

在德国卡尔斯鲁厄的一间实验室里，一位名叫海因里希·赫兹的年轻物理学家，正在进行一项实验。他用一个感应线圈，制造出了高压电火花。他注意到，在房间的另一头，一个没有连接任何电源的、简单的金属线圈上，也同时迸发出了微弱的电火花。

这两个线圈之间，没有任何导线连接。某种看不见的东西，跨越了空间的距离，将能量从一个线圈，传递到了另一个线圈。

赫兹敏锐地意识到，他可能“听”到了那个幽灵世界的耳语。他系统地研究了这个现象，他测量了这个“东西”的波长和频率，并用它们计算出了它的传播速度。

他得到的速度，正是光速。

他成功地在实验室里，制造并接收到了麦克斯韦所预言的“不可见的光”——我们今天称之为“无线电波”。

麦克斯韦的理论，不再是纸上的数学游戏。它成了可以被制造、被测量、被感知的物理实在。那个幽灵世界，终于向人类，露出了它的真容。

年轻的意大利发明家古列尔莫·马可尼，读到了赫兹的论文，他立刻想到，可以用这种“赫兹波”，来传递信息。几年后，他成功地实现了跨越大西洋的无线电报。

从此，人类文明的进程，被彻底改写。电磁波，这个由麦克斯韦在理论上“捕获”的幽灵，开始以无线电、电视、雷达、手机信号、Wi-Fi的形式，充斥着我们星球的每一个角落。我们用它来交谈，用它来娱乐，用它来导航，用它来探索未知。

而麦克斯韦的影响，还远不止于此。

20世纪初，当一位在瑞士伯尔尼专利局工作的、名叫阿尔伯特·爱因斯坦的年轻职员，开始思考一个奇怪的问题时，他思想的起点，正是麦克斯韦方程组。

他问自己：如果我以光速，追赶一束光，我会看到什么？根据牛顿的经典力学，我应该会看到一束静止的、在空间中振荡的电磁波。但麦克斯韦的方程组却“不允许”这种现象存在——它们规定了，光速在任何参照系下，都是一个恒定的值。

牛顿的理论，和麦克斯韦的理论，在这里，产生了不可调和的矛盾。

爱因斯坦最终得出的结论是：错的不是麦克斯韦，而是牛顿。或者说，是牛顿关于绝对时间和绝对空间的观念，是错误的。为了保住“光速不变”这个由麦克斯韦方程组所揭示的神圣法则，我们必须放弃时间和空间的绝对性。

于是，狭义相对论诞生了。可以说，整个现代时空观，都是为了维护麦克斯韦方程组的协变性。

他是一个怎样的人

那么，我们今天该如何回望詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，这个安静的苏格兰人？

他是一位“翻译家”。他将法拉第那充满了诗意和直觉的、关于力线的物理图像，翻译成了严谨、普适、且拥有惊人预测能力的数学语言。

他是一位“统一者”。他将电、磁、光这三种看似毫不相干的自然现象，统一在了同一面宏伟的理论旗帜之下。他完成了自牛顿之后，物理学最伟大的一次综合。

他是一位“先知”。他的方程预言了一个全新的、不可见的世界的存在，这个世界构成了我们整个现代信息社会的基石。他的思想实验，预示了信息科学和统计力学的未来。

但他本人，却似乎从未被这些伟大的成就所改变。他一生都保持着谦逊、风趣和对世界的好奇心。他是一个虔诚的信徒，在他看来，他所做的这一切，只不过是在试图“阅读上帝的思想”。

与牛顿的神秘、孤僻和晚年的偏执不同，也与爱因斯坦后来所卷入的公众光环不同，麦克斯韦的一生，显得异常的“正常”和“纯粹”。他只是一个被好奇心驱动的、纯粹的思考者。

他用一个充满了齿轮和滚珠的疯狂机械，撬动了整个物理学。

他用一个挑战宇宙定律的淘气小妖，开启了信息时代的大门。

他用四行简洁的数学公式，为光写下了永恒的定义。

当你打开手机，连接上Wi-Fi，收听广播，或者仅仅是抬头仰望阳光时，或许可以花一秒钟，感谢一下那个留着大胡子、爱写蹩脚诗的苏格兰绅士。

因为我们，都生活在他所预见的那个，充满了电磁波的、美丽的“幽灵世界”里。而他，就是那个最早的、也是最伟大的“幽灵捕手”。

来源：会升级的冬瓜