摘要：大家都知道光是一种电磁波，这是你在物理课上学习的第一件事之一，因为这是一个非常重要的发现。但较少人知道的是，过去的哲学家和物理学家是如何逐步得出这一发现的。这是一个非凡的旅程，最终将物理学的三大要素连接成一个统一的理论。当然，这并不是一个人完成的，而是通过逐步
大家都知道光是一种电磁波，这是你在物理课上学习的第一件事之一，因为这是一个非常重要的发现。但较少人知道的是，过去的哲学家和物理学家是如何逐步得出这一发现的。这是一个非凡的旅程，最终将物理学的三大要素连接成一个统一的理论。当然，这并不是一个人完成的，而是通过逐步揭示每个“分支”的秘密，积累了足够的知识，才使这些联系得以建立。最终由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将它们通过四个方程组合在一起。
在过去很长一段时间里，电、磁和光是完全独立的现象。不同于电和磁，光无处不在，因此问题不在于发现现象，而是解释我们为什么能看到事物。我不想深入到太古老的历史，但确实有一段时间，人们认为我们看到事物是因为眼睛发射出某种光线，它以某种方式照亮了物体。但显然，这种理论应该让你在夜晚也能看到东西，因此人们认为，来自我们眼睛的光线与来自太阳等光源的光线之间存在某种相互作用，且没有这种相互作用，我们就无法看到东西。
在大约1000年左右，伊斯兰科学家伊本·海赛姆是第一个正确解释视觉现象的人。他指出，视觉是一个在我们大脑中发生的现象，而我们所看到的一切，都是来自某个光源的光线反射到物体，再反射到我们的眼睛。因此，光是一种独立于我们眼睛的物理现象。
从这时起，你可以开始对光提出科学问题了。为什么光有不同的颜色？为什么它会反射？为什么它进入不同的透明介质时会改变方向？为什么它能穿透某些材料，而只能从某些材料上反射？光的传播速度是多少？它是瞬间传播的吗？光到底是由什么组成的？
光的反射定律已经为人所知很长时间了，它告诉我们，反射光的角度与入射光的角度相同，这通常归功于伊本·海赛姆，他将这一定律形式化。然而，折射定律则更加复杂，它在历史上被多次重新发现，但第一个对折射现象的正确数学描述来自荷兰天文学家和数学家维尔布罗德·斯涅尔，在17世纪早期提出。
这也是“游戏”的真正开始，因为斯涅尔并没有使用任何光的模型来推导这个方程，他基本上只是观察数据，并为其拟合了一个方程。但为什么光遵循这一定律仍然是个谜。然而，至少现在它不再是纯粹的哲学问题了。
艾萨克·牛顿认为光是由微小的粒子组成的，而克里斯蒂安·惠更斯则认为光是由波组成的。但由于牛顿在物理学界的影响力很大，因此他得到了更多其他物理学家的支持。然而，正确的模型应该解释斯涅尔定律。惠更斯的理论提供了一个自然的解释，前提是波在更密的介质中会减速。
但牛顿，你打算如何用粒子来解释这一切呢？其实牛顿找到了一个方法，而且相当令人印象深刻。他的想法是，每个光粒子会被介质吸引。如果光粒子处于单一介质中，由于介质均匀分布，力是各向同性的。但如果光粒子位于更密介质的边界上，那么粒子会在垂直于介质表面的方向上受到更强的吸引力，这将导致在这个方向上的速度增加，进而导致光的弯曲。这听起来很不错，但这个理论无法解释其他问题，例如衍射、干涉或偏振，更不用说还有许多其他问题没有解决了。
随着越来越多的证据指向波动理论，我个人认为对粒子理论的致命一击是发现光在更密的介质中实际上传播得更慢。那么现在一个问题是，光的速度是多少？第一个尝试测量光速的是伽利略，他在1638年让两个人在托斯卡纳的山顶上拿着灯笼，一个人打开灯笼，另一个人看到后也打开，通过时间延迟来测量光速。但用这种方式检测光速，光速必须非常慢。
更好的测量是由丹麦天文学家奥勒·罗默在1676年通过观测木星的卫星木卫一的运行得出的。他注意到木卫一的“eclipse time”随着地球方向的变化而变化，利用天体之间的粗略距离，他计算出光速大约是每秒22万公里。之后，越来越多的精确测量出现了。詹姆斯·布拉德利在1728年通过恒星光行差测得光速为每秒301,000公里，Hyppolite Fizeau在1849年通过齿轮测得光速约为每秒313,000公里。一年后，莱昂·傅科重复了这一实验，测得光速为每秒298,000公里，接近今天定义的每秒299,792,458米。
因此，我们现在非常确定光是一种波动，并且具有有限的传播速度。但到底是什么在振动呢？要回答这个问题，我们需要看看科学探索的另一个前沿。我们刚刚讨论的是光的部分，但与此同时，人们也在研究电和磁。这两种现象早已被发现，但直到最近，人们才真正掌握了它们。
以电为例，长时间以来，它只是一种有趣的现象。第一个解释电的伟大理论来自本杰明·富兰克林。他想象每个物体周围都有一定量的电流体，有些物体有更多，有些则更少，而自然界的基本法则是总是保持平衡。因此，如果两个物体的电量不同，电流体就会从一个物体流向另一个物体，以达到平衡。因此，我们观察到的电现象就是这种流体从一个物体流向另一个物体。这与我们今天所知的模型相似，电流体的缺乏可以与负电荷相关，而电流体的过量可以与正电荷相关。
1785年，库仑发表了关于电荷、力和距离之间关系的研究，指出电荷之间的作用力与两个物体的电量成正比，与它们之间距离的平方成反比。
这就是库仑定律。当时还没有正式的电荷单位，而在现代的库仑定律中，存在一个比例常数，
其中，
叫做介电常数，具有这些单位：
当库仑提出他的定律时，持续电流尚未被发现。持续电流是由亚历山德罗·伏特在1794年发现的，他发现如果将锌和铜放在一起，并在它们之间放一些浸有盐水的硬纸板，它们就能产生持续的电流。从这个发现开始，事情进展得非常快。但在深入之前，我们还需要简要了解一下磁学的历史。
磁性材料磁石大约在公元前600年被希腊人发现。磁石的磁性特性有很好的应用。例如，可以用它从身体中取出金属箭头，但更重要的是，它促成了11世纪指南针的发明，这是当时非常重要的设备。然而，人们对磁铁的原理一无所知，甚至不知道指南针原理。他们认为可能是北极星有磁性，或者北方有某种磁岛，所以指南针总是指向这个方向。
但在1600年，威廉·吉尔伯特通过实验得出结论，地球本身就是一个巨大的磁铁，这就是指南针起作用的原因。然而，这仍然没有解释磁性到底是什么。但有人怀疑磁性与电有某种联系，有人认为它可能是某种形式的静电或类似的东西，但与此同时，这些磁铁的行为又与电不同。
1820年，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特做出了一个重大突破，他发现指南针的针会因为附近的电流偏离地球的磁北极。
这是第一次直接证明了两个看似独立的自然力之间的联系。接下来的任务是用数学公式来表达这两种力之间的联系。这个任务在1820年至1825年由安培完成，我们今天称之为安培定律。
该定律指出，如果取一个曲线dS，计算与曲线平行的磁场强度，并将所有贡献相加，也就是说，做一个曲线上的磁场B的线积分，那么它等于穿过曲线dS所包围的表面的总电流乘以一个常数μ_0，这个常数我们称为磁导率。
1830年，卡尔·弗里德里希·高斯引入了他的高斯定律，
这基本上就是库仑定律，但用一种更加基础的方式书写。它简单地表示，通过某个封闭表面S的电通量等于封闭表面内的总电荷。你可以从库仑定律推导出高斯定律，反之亦然。
高斯定律在某些场景下更容易使用，尤其是当有多个电荷时，它提供了更好的物理解释，帮助理解某些看似荒谬的现象。最终，高斯定律成为了麦克斯韦方程组中的一部分。
我们已经知道电和磁通过安培定律相互关联，因此我们知道可以通过电流产生磁场。但法拉第发现了如何通过磁场产生电流的方法。他定性地发现，单纯存在磁通量并不会在导线中产生电流，但如果磁通量随时间变化，就会产生电流，这就是法拉第电磁感应定律。
法拉第在发现电磁理论方面的另一个重要贡献是，他首次引入了我们今天称之为“场（field）”的概念。他称之为“力线”，
其中正电荷的力线向外指，而负电荷的力线向内指。通过使用这些力线，所有的电磁定律都可以直观地解释。例如，法拉第解释电磁感应时指出，当导体切割磁场线时，电流就会被感应出来。
不过，法拉第并没有为他的发现提供任何数学描述，他只是给出了定性的理解。而接下来就是本故事中的最大英雄——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。那么他做了什么呢？在开始之前，声明一下，我不会使用原始形式的方程，而是使用现代形式的方程来避免混淆，但这些方程的内容完全相同。
现在，我们已经有了高斯定律，这是一块拼图。麦克斯韦还引入了磁场的高斯定律，它指出，如果对任意封闭表面进行积分，总会得到零，
因为没有磁单极子。然后是安培定律，
但安培定律有一个问题，它是不一致的，这意味着你可以设计一个实验，在这个实验中，安培定律会给出两个不同的结果。为了使这个方程一致，麦克斯韦引入了一个新项，
称为“位移电流密度”。因此，为了使安培定律一致，不仅电流密度会产生磁场，时间变化的电场也会产生磁场。这有时被认为是他对电磁理论的最大贡献之一，因为现在不仅电场和物理实体（如电流）之间有联系，电场本身之间也有联系。
然后，麦克斯韦成功推导出了法拉第定律的数学表达式，
告诉我们时间变化的磁场会产生电场，而这个电场又会产生电动势，这就是为什么我们会在导线中测量到电流。有趣的是，这个方程只涉及场，没有其他物理实体，例如并不存在“磁流”。因此，如果没有法拉第提出的遍布空间的场的概念，这些发现将变得非常困难。
让我们抛开所有物理的东西，比如电流和电荷，剩下的就是真空中的方程。
这些方程仅仅是电场和磁场之间的纯粹关系。你也可以看到这些方程以微分算子的形式书写，
依然是相同的物理原理，只是不同的形式。因此，变化的电场会产生磁场，变化的磁场又会产生电场，这似乎是一种美好的共生关系，对吧？如果你在电场中制造一个波动，它会在磁场中产生另一个波动，而这个磁场中的波动又会再次产生电场波动，这将持续下去，直到有某种物理物体吸收了能量。
那么，这些波动在空间中传播的速度有多快呢？好消息是你可以通过这些方程计算出来，而你得到的数字就是这个值。
你只需要知道两个常数，
它们可以通过静态实验确定，而这些常数在麦克斯韦的时代已经被知道了。所以他将这些常数代入计算，得出了光速c。当他将这个结果与光速的测量结果进行比较时，他一定感到非常非常满意。电磁场的波动以与光相同的速度传播。当然，这并不一定意味着电磁波就是光，但这是一个相当有力的证据，不是吗？
现在我要引用爱因斯坦的话：
时间-空间定律的精确表述是麦克斯韦的工作。想象一下当他发现自己所推导的微分方程证明电磁场以极化波的形式传播，并且传播速度等同于光速时的感受。世界上很少有人能体验这样的经历。
物理学家花了几十年时间才完全理解麦克斯韦发现的深远意义，因为他的天才让物理学发生了巨大的飞跃。对我来说，另一个非常有趣的地方是，麦克斯韦发现了第一个相对论理论——一个遵循狭义相对论的理论，而狭义相对论当时甚至还不存在。所以如果有人问我，谁是第一个真正的理论物理学家，我可能会说是麦克斯韦。因为如果我们说理论物理学家的工作是通过数学揭示物理现实，那么麦克斯韦正是这样做的。
来源：老胡说科学
