導讀：本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是确定的，但世界的确定性不是我們能把我的。

然後再來了解一下電磁學的發展史，靜電和靜磁現象很早就被人類發現，由于摩擦起電現象，英語中“電”的語源為希臘語“琥珀”一詞。然而直到1600年，由于威廉·吉爾伯特的嚴謹治學态度，才開始對于電與磁的現象出現系統性研究。

吉爾伯特是英國女王伊麗莎白一世的皇家醫生，他對于電和磁情有獨鐘，撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》，其中，他指出，琥珀不是唯一可以經過摩擦産生靜電的物質，鑽石、藍寶石、玻璃等等，也都可以演示出同樣的電學性質，這論述成功地摧毀了一個持續了2000年的錯誤觀念，即琥珀的吸引力是其獨特性質。

庫侖在其後的幾年間也研究了磁偶極子之間的作用力，他也得出了磁力也具有平方反比律的結論。不過，他并未認識到靜電力和靜磁力之間有何内在聯系，而且他一直将電力和磁力吸引和排斥的原因歸結于假想的電流體和磁流體——具有正和負區别的，類似于“熱質”一般的無質量物質。

靜電力的平方反比律确定後，很多後續工作都是同萬有引力做類比從而順理成章的結果。1813年法國數學家、物理學家西莫恩·德尼·泊松指出拉普拉斯方程也适用于靜電場，從而提出泊松方程；其他例子還包括靜電場的格林函數（喬治·格林，1828年）和高斯定理（卡爾·高斯，1839年）。

左圖為格奧爾格·歐姆

十八世紀末，意大利生理學家路易吉·伽伐尼發現蛙腿肌肉接觸金屬刀片時會發生痙攣，他其後在論文中認為生物中存在着一種所謂“神經電流”。

意大利物理學家亞曆山德羅·伏打對這種觀點并不贊同，他對這種現象進行研究後認為這不過是外部電流的作用，而蛙腿肌肉隻是起到了導體的連接作用。

1800年，伏打将鋅片和銅片夾在用鹽水浸濕的紙片中，得到了很強的電流，這稱作伏打電堆；而将鋅片和銅片浸入鹽水或酸溶液中也能得到相同的效果，這稱作伏打電池。伏打電堆和電池的發明為研究穩恒電流創造了條件，這也是目前所有電池的前身。

1826年，德國物理學家格奧爾格·歐姆從傅立葉對熱傳導規律的研究中受到啟發，在傅立葉的熱傳導理論中，導熱杆中兩點的熱流量正比于這兩點之間的溫度差。

因而歐姆猜想電傳導與熱傳導相似，導線中兩點之間的電流也正比于這兩點間的某種驅動力（歐姆稱之為電張力，即現在所稱的電動勢）。歐姆首先嘗試用電流的熱效應來測量電流強度，但效果不甚精确，後來歐姆利用了丹麥物理學家漢斯·奧斯特發現的電流的磁效應，結合庫侖扭秤構造了一種新型的電流扭秤，讓導線和連接的磁針平行放置，當導線中通過電流時，磁針的偏轉角與導線中的電流成正比，即代表了電流的大小。歐姆測量得到的偏轉角度（相當于電流強度）與電路中的兩個物理量分别成正比和反比關系，這兩個量實際相當于電動勢和電阻。歐姆于1827年發表了他的著作《直流電路的數學研究》，明确了電路分析中電壓、電流和電阻之間的關系，極大地影響了電流理論和應用的發展，在這本書中首次提出的電學定律也因此被命名為歐姆定律。

歐姆

庫侖發現了磁力和電力一樣遵守平方反比律，但他沒有進一步推測兩者的内在聯系，然而人們在自然界中觀察到的電流的磁現象（如富蘭克林在1751年發現放電能将鋼針磁化）促使着人們不斷地探索這種聯系。首先發現這種聯系的人是丹麥物理學家奧斯特，他本着這種信念進行了一系列有關的實驗，最終于1820年發現接通電流的導線能對附近的磁針産生作用力，這種磁效應是沿着圍繞導線的螺旋方向分布的。

在奧斯特發現電流的磁效應之後，法國物理學家讓-巴蒂斯特·畢奧和費利克斯·薩伐爾進一步詳細研究了載流直導線對周圍磁針的作用力，并确定其磁力大小正比于電流強度，反比于距離，方向垂直于距離連線，這一規律被歸納為著名的畢奧-薩伐爾定律。

左圖為安德烈-瑪麗·安培

而法國物理學家安德烈-瑪麗·安培在奧斯特的發現僅一周之後（1820年9月）就向法國科學院提交了一份更詳細的論證報告，同時還論述了兩根平行載流直導線之間磁效應産生的吸引力和排斥力。在這期間安培進行了四個實驗，分别驗證了兩根平行載流直導線之間作用力方向與電流方向的關系、磁力的矢量性、确定了磁力的方向垂直于載流導體以及作用力大小與電流強度和距離的關系。

安培并且在數學上對作用力進行了推導，得到了普遍的安培力公式，這一公式在形式上類似于萬有引力定律和庫侖定律。1821年，安培從電流的磁效應出發，設想了磁效應的本質正是電流産生的，從而提出了分子環流假說，認為磁體内部分子形成的環形電流就相當于一根根磁針。

1826年，安培從斯托克斯定理推導得到了著名的安培環路定理，證明了磁場沿包圍産生其電流的閉合路徑的曲線積分等于其電流密度，這一定理成為了麥克斯韋方程組的基本方程之一。

安培的工作揭示了電磁現象的内在聯系，将電磁學研究真正數學化，成為物理學中又一大理論體系——電動力學的基礎。

左圖為邁克爾·法拉第

電磁感應現象，英國物理學家邁克爾·法拉第早年跟随化學家漢弗裡·戴維從事化學研究，他對電磁學的貢獻還包括抗磁性的發現、電解定律和磁場的旋光性（法拉第效應）。

在奧斯特發現電流的磁效應之後的1821年，英國《哲學學報》邀請當時擔任英國皇家研究所實驗室主任的法拉第撰寫一篇電磁學的綜述，這也導緻了法拉第轉向電磁領域的研究工作。

法拉第考慮了奧斯特的發現，也出于他同樣認為自然界的各種力能夠相互轉化的信念，他猜想電流應當也如磁體一般，能夠在周圍感應出電流。從1824年起，法拉第進行了一系列相關實驗試圖尋找導體中的感應電流，然而始終未獲成功。

直到1831年8月29日，他在實驗中發現對于兩個相鄰的線圈A和B，隻有當接通或斷開線圈回路A時，線圈B附近的磁針才會産生反應，也就是此時線圈B中産生了電流。如果維持線圈A的接通狀态，則線圈B中不會産生電流，法拉第意識到這是一種瞬态效應。

一個月後，法拉第向英國皇家學會總結了他的實驗結果，他發現産生感應電流的情況包括五類：變化中的電流、變化中的磁場、運動的穩恒電流、運動的磁體和運動的導線。

法拉第電磁感應定律從而表述為：任何封閉電路中感應電動勢的大小，等于穿過這一電路磁通量的變化率。

不過此時的法拉第電磁感應定律仍然是一條觀察性的實驗定律，确定感應電動勢和感應電流方向的是俄國物理學家海因裡希·楞次，他于1833年總結出了著名的楞次定律。法拉第定律後來被納入麥克斯韋的電磁場理論，從而具有了更簡潔更深刻的意義。

法拉第另一個重要的貢獻是創立了力線和場的概念，這些思想成為了麥克斯韋電磁場理論的基礎。愛因斯坦稱其為“物理學中引入了新的、革命性的觀念，它們打開了一條通往新的哲學觀點的道路”，意為場論的觀念是有别于舊的機械觀中以物質為主導核心的哲學觀念。

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左圖為：海因裡希·魯道夫·赫茲

詹姆斯·麥克斯韋對電磁理論的貢獻是裡程碑式的。麥克斯韋自1855年開始研究電磁學，1856年他發表了首篇專論《論法拉第力線》，其中描述了如何類比流體力學中的流線和法拉第的力線，并用自己強大的數學功底重新描述了法拉第的實驗觀測結果，這部分内容被麥克斯韋用六條數學定律概括。

1861年至1862年間，麥克斯韋發表了第二篇電磁學論文《論物理力線》，在這篇論文中麥克斯韋嘗試了所謂“分子渦流”模型，他假設在磁場作用下的介質中存在大量排列的分子渦流，這些渦流沿磁力線旋轉，且角速度正比于磁場強度，分子渦流密度正比于介質磁導率。

這一模型能很好地通過近距作用之說來解釋靜電和靜磁作用，以及變化的電場與磁場的關系。更重要的是，它預言了在電場作用下的分子渦流會産生位移，從而以勢能的形式儲存在介質中，這相當于在介質中産生了電動勢，這成為了麥克斯韋預言位移電流存在的理論基礎。此外，将這種介質理論應用到彈性波上，可以計算求得在真空或以太中橫波的傳播速度恰好和當時已知的光速（斐索，1849年）非常接近，麥克斯韋由此大膽預言：

我們難以排除如下的推論：光是由引起電現象和磁現象的同一介質中的橫波組成的。— 詹姆斯·麥克斯韋

1865年麥克斯韋發表了他的第三篇論文《電磁場的動力學理論》，在論文中他堅持了電磁場是一種近距作用的觀點，指出“電磁場是包含和圍繞着處于電或磁狀态的物體的那部分空間，它可能充有任何一種物質”。在此麥克斯韋提出了電磁場的方程組，一共包含有20個方程（電位移、磁場力、電流、電動勢、電彈性、電阻、自由電荷和連續性方程）和20個變量（電磁動量、磁場強度、電動熱、傳導電流、電位移、全電流、自由電荷電量、電勢）。這實際是8個方程，但到1890年才由海因裡希·魯道夫·赫茲給出了現代通用的形式。

這是赫茲在考慮了阿爾伯特·邁克耳孫在1881年的實驗（也是邁克耳孫-莫雷實驗的先行實驗）中得到了以太漂移的零結果後對麥克斯韋的方程組進行的修改。

1887年至1888年間，赫茲通過他制作的半波長偶極子天線成功接收到了麥克斯韋預言的電磁波，電磁波是相互垂直的電場和磁場在垂直于傳播方向的平面上的振動，同時赫茲還測定了電磁波的速度等于光速。

赫茲實驗證實電磁波的存在是物理學理論的一個重要勝利，同時也标志着一種基于場論的更基礎的物理學即将誕生。1931年，在麥克斯韋百年誕辰的紀念會上，愛因斯坦盛贊法拉第和麥克斯韋的工作是“牛頓力學以來物理學中最偉大的變革”。

而前段時間，有中國民科提出“電荷不存在”的論文就顯得多麼幼稚。我自己也算民科。但從來不敢如此妄想。看看上面關于電學，關于磁學，關于電磁學的整個曆史，還有比用“電荷理論”更好的理論嗎？

顯然沒有，而且電磁學理論經過如此嚴格的實驗驗證，更是說明其正确和可靠性。所以民科說什麼沒有犯罪，但說什麼得認真思考，得再已有學術基礎上進行思考。

正是有了前面無數先賢對電和磁有了本質的認識，人們才開始認識光。對于光的認知也發生了深刻變化。

在此之前，人們認識了光的反射，折射，散射等性質，但光的本性問題是物理學界長久以來一直争論不休的一個難題。牛頓在思考這個問題時，将他所擅長的物質、粒子和力等概念滲透到光學中，從而将光的本性解釋為物質的微粒。

這些微粒以一定的速率在真空中保持直線運動，碰撞到光滑的鏡面則産生彈性反射，而前文中笛卡爾的理論推導也證明了這種假說能夠解釋光的折射現象。

微粒說能夠在相當程度上完整地解釋幾何光學，而對于色散的問題，則要假設每一種顔色的光對應一種顔色的微粒，不同顔色的微粒在真空中具有相同的速度，而在介質中則具有不同的速度。然而，關于光的本性很多物理學者一直持有另外一種觀點，即光是一種彈性的機械波，持這種波動觀點的代表人物有胡克和惠更斯等人。

惠更斯在1678年所闡述的觀點認為，光是發光體内部的粒子振動所産生的機械波，這種機械波傳播所依靠的介質被稱作以太。惠更斯認為光是一種縱波，從而以太這種物質類似于空氣一樣，但沒有任何質量，彌漫于整個宇宙中而無處不在。

因此在波動說看來，光的本質就是能量通過以太的振動在空間中的傳遞。波動說同樣可以解釋很多光學現象，例如波在其他介質中的傳播速率要小于在以太中的傳播速率，因而這種效應會引起折射。對于色散，波動說認為每種顔色的光對應有不同的波長，因而在以太以外的其他介質中波速不同。盡管波動說能夠貌似更簡單地解釋光學現象（除去需要假設存在以太的問題），當時的科學界由于更相信牛頓的權威，在波動說提出的一百多年裡一直更推崇微粒說。

看看對光的發現和探索史，是不是非常有趣？ 如果牛頓，惠更斯，胡克等人知道後來人們認為光具有波粒二象性，又會說什麼？可以說是人類對光的不斷深入研究，使得人類更快的進入到量子力學的世界中。

這種情形一直持續到十九世紀初，1801年英國科學家托馬斯·楊成功實現了光的雙縫幹涉實驗，這是對波動說的有力證明。他通過實驗還

初步測定了空氣中不同色光的波長，已經接近于現代測定的精确值。奧左圖為古斯丁·菲涅耳。

1809年法國物理學家馬呂斯發現了光的偏振，為了解釋這種現象托馬斯·楊在1817年假設了光波具有一個非常小的振動的橫向分量，不過到了1821年，法國物理學家奧古斯丁·菲涅耳通過數學計算得出結論，光的振動完全是橫向的。菲涅耳對波動光學進行了理論和實驗的全方位研究，締造了波動光學的理論基礎，他的主要理論成就包括：提出了兩束光的幹涉條件，在數學上完善了描述光傳播規律的惠更斯－菲涅耳原理，菲涅耳指出光波的包絡面實際是各個子波彼此幹涉的結果，并描述了近場的菲涅耳衍射；菲涅耳還得到了在物理上定量描述反射和折射規律的菲涅耳方程；以及關于光的偏振的研究，并發現了圓偏振光和橢圓偏振光。

盡管波動說在十九世紀的發展非常成功，光是一種橫波的事實意味着惠更斯關于以太的理論需要修改：以太不能像空氣那樣是“氣狀”的，而必須是彈性“膠狀”的。然而，假設一種膠狀的以太無疑會帶來更多麻煩，例如隻有光才會和以太産生相互作用，而其他物質不會産生任何作用。正如愛因斯坦所評價的那樣，需要假設彈性膠狀的以太意味着試圖完全用力學的觀點來解釋光的本性是沒有希望的，這也正是法拉第和麥克斯韋提出場的概念的重要意義所在。

摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

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