著名的实验物理学家法拉第家境贫寒，自学成才，却因为缺乏良好的教育，无法理解那些复杂的数学计算。这一点可能反而激发了他的想象力，帮助他提出了场的概念，引发了一场物理学的革命。他的学生麦克斯韦在他的基础上，提出了麦克斯韦方程组。
本文节选自《万物原理》，作者为诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克。
图书信息
作者: [美]弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）
译者: 柏江竹 / 高苹
出版社: 中信出版集团
一位伟大的当代科学家揭示了十项深刻的洞见，阐明了每个人都应该了解的物理世界。在《万物原理》一书中，诺贝尔奖得主弗兰克·维尔切克以现代科学的深刻启示为基础，对现实进行了简单而深刻的探索。世界是什么，它又是如何运作的？维尔切克通过清晰准确的叙述，加上一份富有感染力的愉悦感，引导我们探索了关于以上问题的理解的基本概念。读完这本书，我们将以一种新的方式来看待我们身处的现实——会发现，它比以前看起来更大、更完整、更陌生。
作者简介
弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）现为美国麻省理工学院物理学教授，美国国家科学院成员，当今世界最杰出的理论物理学家之一。其广为人知的科学贡献包括，发现物质的渐近自由性，推动量子色动力学发展，发现了轴子，探索出量子统计的新方法。于 2004 年获得诺贝尔物理学奖。2014 年在中国浙江大学建立量子力学中心，每年都来中国讲学。出版过《一个美丽的问题》《人类之光》等畅销书。
内容节选
牛顿出版于 1687 年的著作《自然哲学的数学原理》为我们理解物质世界建立了一个强有力的理论体系，直到 19 世纪，该体系仍在科学探索中占主导地位。这个体系内的物理定律展示了物体之间如何相互施加力的作用。牛顿的万有引力定律就是其中一例，它是成功定律的典范。这一定律告诉我们，物体间有一种相互吸引的力，力的大小与二者质量的乘积成正比，并与它们之间距离的平方成反比。
人们开始研究其他种类的力的时候，确切地说是研究电磁力时，也试图沿用牛顿理论的基本框架。一开始很顺利，比如静电力所遵循的库仑定律就与牛顿的万有引力定律相呼应，只是将质量替换为电荷量罢了。
但是磁力就不一样了。事实证明，磁力的计算还挺复杂，它不仅与物体的位置有关，也和速度有关。后来人们又开始研究电力和磁力同时存在的情况，这就进一步增加了问题的复杂性。
迈克尔·法拉第（1791—1867）自幼家境贫寒，尽管他自学成才成为一名实验物理学家，但是从小缺乏良好教育的他无法理解那些有关力学的物理定律中错综复杂的数学计算，于是他只好通过想象来思考科学问题。在他的想象中，带电和带磁的运动物体是通过空间向外界施加影响的，这种空间就像大气一样，你即使感受不到它的存在，也会受到它的影响。法拉第生动地称之为“力线”，现在我们将这种作用称为电场和磁场。法拉第的弟子和传人、天纵奇才的理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1831—1879）这样说道：“在数学家看到作用于物体中心的超距吸引力的时候，法拉第凭借他特有的思维看到了穿过整个空间的力线；数学家只看到了距离，而法拉第看到的是一种媒介。法拉第在这种媒介中寻找力的作用从何而来。”
在不循常规的思想的指引下，很快，法拉第就发现了一个非凡的效应，如果不引用场的概念，甚至都无法描述这种现象。这就是著名的法拉第感应定律，该定律阐明，随时间发生变化的磁场会产生涡旋电场。法拉第通过这一发现揭示了“场”确实存在。
我们可以以日常生活中常见的水作为模型来说明，法拉第设想的这种充斥整个空间的媒介是如何通过局部区域发生的作用在远处的物体之间产生作用力的。如果一艘移动中的船（或者摩托艇）在湖面上激起了一圈水波，这圈水波的影响随即就会在湖面上扩散开来，其本质是某个区域的水在移动的过程中推动着周围的水——当然也仅仅是周围的水。而最终，哪怕在湖中游泳的人离水波的源头很远，他也能感受到水波对自己施加的力。我很喜欢游泳，这种事情我经历过很多次，可以算得上是我的烦心事之一。如果它来得毫无征兆，那情况还会更糟，不过我往往能提前看到有波涛袭来。在这件事上局域性也有好处，至少它不会让你完全措手不及。
法拉第有关局域性的更全面的构想引发了一场物理学的革命。这种填满了整个空间的电磁场如此具有生命力，它一定在这个世界的组成中占有一席之地。基于空间中的粒子（这又要回溯到德谟克利特的“原子和虚空”了）的牛顿力学理论体系无法解决有关电磁场的问题。这样一来，我们对这个世界的描绘就变得 更加丰富多彩。正如麦克斯韦所写：
浩瀚的星际空间将不再被视为宇宙中的荒原，不再是造物主眼中不适于填充他的世界中各种象征秩序的符号的地方。我们会发现太空中已经充满了这种奇妙的媒介：它遍布每一个角落，以至于人类的力量根本无法把它从空间里哪怕最小的一个部分中除去，也不可能使其无限的连续性产生一丝一毫的缺陷。
虽然麦克斯韦这篇慷慨激昂的散文似乎有些言过其实，但我们得想想他为什么会有这样的想法。麦克斯韦在刚刚踏入科研领域时就决定开始研究电磁学，那时的他就已经受到了法拉第的科学发现以及概念的启发。他决定摒弃相对来说发展得更加成熟、研究热度更高的牛顿力学理论体系，而是以法拉第出于直觉提出的场论为基础开展研究。麦克斯韦提出：
在能量随着时间推移从一个物体传递到另一个物体上的过程中，必然存在一种媒介或物质，用于储存离开前一个物体之后还没进入下一个物体的能量......如果我们将这种媒介的存在作为一种假设，那么我认为它应当是目前研究工作的重点，我们应该在心目中描述出这种媒介的所有作用特征。
麦克斯韦在数学上阐明了这个新观点之后，他发现，如果想要得到自洽的方程组，就需要另一个方程来补全法拉第感应定律，在这个方程中，电场和磁场的角色和法拉第感应定律的描述是相反的。在麦克斯韦感应定律中，随时间变化的电场会产生涡旋磁场。
麦克斯韦把法拉第和他自己的场论结合到一起之后，发现它们产生了一个惊人的新结果，即电场和磁场中会产生一种循环往复、向外传播的扰动。变化的电场激发变化的磁场，变化的磁场又激发变化的电场，变化的电场继续激发变化的磁场......根据他的计算，这些扰动传播的速度与当时已经被独立测得的光速应该是相同的。于是麦克斯韦立即指出：“结果的一致性似乎表明，光和磁是同一种物质的不同特性，根据电磁定律，光是通过电磁场传播的电磁扰动。”
他是对的。
除了可见光，也就是我们人类的眼睛能够感知的所有波长的光之外，可能还有更多种类的电磁扰动。麦克斯韦预测了比可见光波长更长以及更短的电磁扰动的存在，其中包括当时完全未知且意想不到的新型辐射。现在，我们将它们称为无线电波、微波、红外线、紫外线、X 射线以及伽马射线。
自麦克斯韦第一次提出麦克斯韦方程组之后，过了 20 多年，对它的实验验证才姗姗来迟。海因里希·赫兹设计并制造了第一台无线电发射机和接收机，完成了验证过程。赫兹的目的是把美妙的数学思想变成现实，他觉得自己已经成功了。“这是一种不可避免的感受，”他写道，“这些数学公式有自己独立的生命，有自己的智慧，它们比我们聪明多了，甚至比它们的发现者还要聪明，我们从这些公式身上得到的东西比最初寻找这些公式付出的东西多得多。”
法拉第、麦克斯韦和赫兹的研究工作横跨了大半个 19 世纪，在他们之后，人们开始将这种充斥于整个空间的场视作这个世界的基本组成部分之一。
本书作者维尔切克，拍摄于 2004 年诺贝尔奖新闻发布会。图片来源：Betsy Devine (User:Betsythedevine),Wikimedia Commons., CC BY 2.5
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