第四十九章  理论与验证

牛顿力学的对象是物质世界里的客观实体，是可见可感触的物体，因而，在物质的层面上，牛顿力学是易于想象的。在牛顿力学中，自然界的物质实体只有单纯的机械运动，仅仅发生空间位置的变化，这种观点被用来解释自然界的各种运动。即使对于像流体物质的运动，把流体理解为微小质点的集合，也可以用机械运动的观点得到解释。

当麦克斯韦用数学表达并发展了法拉第的思想的时候，他的研究对象已经从物质实体延伸到仅凭人的感官不可见的电磁场。相对于用机械运动的观点来解释世界的传统思维方法来说，这是一种截然不同的看待物质世界的方法。

在麦克斯韦发展他的电磁理论的同时，还存在另一种不同的电磁学理论，这种理论更多地基于传统的思维方法，虽然它能解释的事实是有限的，然而还是被科学界多数人所接受。因而，麦克斯韦在1865年建立的电磁学理论，一直没有被科学界的大多数人所接受。直到22年之后，赫兹用实验验证了电磁波的存在，麦克斯韦的电磁学理论才被科学界接受，被确认是揭示了物质电磁本质的正确理论。赫兹不但验证了电磁波的存在，还给出了麦克斯韦电磁方程的简化形式。

法拉第、麦克斯韦与赫兹为人类开辟了一条通往新世界的道路。

在科学发展的过程中，新发现的科学事实可以用重复的实验来验证，因而科学事实是易于认定的。在具有科学传统的社会里，不但是科学界，所有的大众对于新的科学事实的态度是热切欢迎的，科学的目的就是揭示客观世界的事实与规律。通过多个相关的科学事实，可以提取归纳出科学的规律，这也是易于理解与接受的。在法拉第之前，电磁学是事实的组合。法拉第通过详尽的试验，总结出了电磁学的规律。在法拉第的工作中，他以充分的想象力将电磁力在空间的传递过程具像化，这种思维方法直接来源于古代希腊的思维方式。

麦克斯韦将法拉第的电磁学规律推进了一步，将其上升为理论，做出了存在电磁波的预言。在麦克斯韦电磁学中力的传递依赖于电磁场中波的传播，速度是有限的。电磁波传播的速度等于光传播的速度，因此确认光就是电磁波。

科学事实与规律上升到科学理论是一个抽象化的过程。在一个新的科学理论建立之后，需要科学界做出更多的工作来对新的理论进行验证。当麦克斯韦建立了抽象的电磁理论，未经验证的预言使它不被人们普遍接受。当赫兹证明了电磁波的存在之后，预言成为事实，理论的正确性不再被怀疑。

在牛顿力学体系中，引力在瞬间发生超距作用，在引力的传播过程中没有时间的因素。瞬间超距作用使得引力的传播陷于神秘的状态，其传播过程因而失去了进一步研究的基础，不可能向前继续发展。

麦克斯韦电磁破除了牛顿力学的神秘，给与光这种人类乃至万物赖以生存的物理过程以可理解的解释，虽然光传播的速度极大，却是可以想象与可以计算的。人类的理性与逻辑思考有了切实的基础，这个理论使得人们欣慰与安心，人们可以继续对于物质世界的理性与逻辑思考了。

随着麦克斯韦电磁学理论的确立，人们传统的思维方式也因此而发生了变化。空间不再是空无一物的空间，空间成为场的存在形式。电磁学理论的建立不仅是科学本身的进步，科学的意义与力量还在于它改变了人们的传统思维方法。

近代科学由西欧发源，与宗教和人文主义并立，成为一种生活方式，引导着人们看待世界的方法。宗教主导着心灵，人文成为目标，而科学为人类社会的发展奠定了基础与开辟了道路。在西方，继宗教与人文主义之后，科学成为人们认识世界的方法，成为现代人们的生活方式。

科学引导着人们看待世界的法，成为人们的生活方式。不仅如此，科学引发的技术进步与产生的新技术，促使了经济的发展，开辟了新的经济领域。技术与经济的发展增强了人们面对自然界的力量，使得科学进步成为人类社会进步的重要标志。

科学的进步就是在面对自然界的迷茫中寻找真实，在许多种错误与正确混杂的认识中摒弃错误，积累正确的观点，发现规律，进而上升到理性认识，建立正确理论的过程。已经建立完善的科学理论的发展在后人看来似乎是一条直线，是一个由最基本最简单的发现开始，发展成为一套完善的自成体系的理论的过程。然而，殊不知在其发展过程中，在任何一个正确的观点产生之前或同时，就会有许许多多并不那么正确或根本就是错误的观点同时出现和存在，只不过是在后来进一步的研究过程中辨明了正确与错误罢了。

由1780年伽伐尼的动物电的实验开始，引导伏特发现了金属的不同电位，并在1800年发明了伏特电池组。

1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流对磁体的作用，使电与磁现象联系起来。奥斯特发现的电磁现象吸引了各国许多科学家进行研究。

从1821年开始，经历了10年的时间，法拉第对电磁现象进行了详尽的试验与研究，直到1831年，他发现了电磁感应的规律。对法拉第的学说加以发展的后继之人，全面完成了电磁学理论的麦克斯韦，正是在这一年出生。

在麦克斯韦之前的所有研究，都是科学事实与科学实验结果的总结，不难以实验来进行重复并加以验证。

1865年麦克斯韦电磁理论的建立，是理性思维与逻辑推导的结果。理论本身的正确性是不能用实验来确定的，但是，理论却指出了比导出理论的科学事实与实验更多的东西，理论有预言。对理论所作出预言的验证，可以确定科学理论的正确性。

赫兹的试验验证了麦克斯韦电磁理论预言的电磁波的存在，也确认了麦克斯韦电磁理论的正确性。

麦克斯韦电磁理论的确立，使人们对自然界物质的认识由有形世界进入无形世界。

自远古时代起，人们就已经知道摩擦生电现象，也知道天然磁体的存在。然而对于电与磁的本质，却是茫然。

西欧科学的发展，一切自然现象都引起人们的研究兴趣，电与磁也不例外，成为研究的对象。在伏特发明电池之前，摩擦起电是研究电的唯一方法。

电的极性与传导，雷电的性质，是早期电学研究的内容。这些都是关于静止电荷的研究，这些早期的研究使人们有了关于电的基本性质的知识。

伏特发明了电池之后，电流的性质成为研究的目标，因为电池可以产生连续的电流。电流产生的磁现象被发现了，电与磁产生了联系。电与磁的神秘特性开始被揭示出来，于是，电磁科学的发展改变了世界。

自1800年伏特发明电池的时候起，许多科学家开始进行电磁学的研究。欧姆发现了电压和电流与导体电阻的关系，奥斯特发现了电与磁的联系，安培与另外的一些人详尽地研究了电流产生的磁力的性质。

1821年之前，法拉第的研究领域还是延续他的导师戴维的化学研究。这时，他已经是英国皇家研究所的实验室主任。英国哲学学报的编辑约法拉第撰写一篇稿件，评述关于电磁学的研究状况，法拉第由此进入了电磁学研究领域。

为了写好这篇文章，法拉第重复了奥斯特和安培等人已发表的研究结果中的许多实验。在实验中，法拉第有了新的发现。由此开始，法拉第坚持不懈地进行实验，细心观察与认真思考，对电磁现象进行研究。

历经10年而不懈，法拉第的研究有了突破性的进展。他发现了电磁感应现象：运动的（即变化的）磁场会产生感应电流。

在此之前的研究只注意静止状态下的电磁相互作用，而法拉第发现了只有在运动状态下才会产生的电磁感应现象。由静止到运动，这是研究方法的一个跃进，是法拉第坚持不懈、细心观察与认真思考的结果。为了形象化地描述与解释电磁感应现象，法拉第提出了力线与场的概念。

在对电磁学的研究中，出现了不同的电磁学理论。安培与其后继者的理论基于电荷间的超距作用，这样他们的理论便失去了进一步发展的可能。法拉第与麦克斯韦发展的理论则采用了近距作用的观点，这样才会有场概念的产生。场的概念导向了新的思维方法，对它的详细研究开辟了电磁学的新的研究方向。