wgq 的博客

 

夸克（Quark）是1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出的。他们认为中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克组成的。一个质子和一个反质子在高能下碰撞，就会产生一对几乎自由的夸克。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。

夸克-命名

夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。默里·盖尔曼认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是出于他对鸟类的喜爱。

夸克-发现

19世纪接近尾声的时候，玛丽·居里打开了原子的大门，证明原子不是物质的最小粒子。很快科学家就发现了两种亚原子粒子：电子和质子。1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这次科学家们又认为发现了最小粒子。

20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎成质子，把质子打碎成为更重的核子，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽（Donald Glaser）发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。

气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，数量众多，让科学家既惊奇又惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。

默里·盖尔曼认为，如果应用关于自然的几种基本概念，就可能会弄清楚这些粒子。他先假定自然是简单、对称的。他还假定像所有其他自然界中的物质和力一样，这些亚原子粒子是守恒的（即质量、能量和电荷在碰撞中没有丢失，而是保存了下来）。

用这些理论作指导，盖尔曼开始对质子分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法，称为“奇异性（strangness）”。这个词是他从量子物理学引入的。奇异性可以测量到每个粒子的量子态。他还假设奇异性在每次反应中都被保存了下来。

盖尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是固态物质，而是由3个更小的粒子构成，那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。

经过两年的努力，盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为“k-works”，后来缩写为“kworks”。之后不久，他在詹姆斯·乔伊斯（James Joyce）的作品中读到一句“三声夸克（three quarks）”，于是将这种新粒子更名为夸克（quark）。

夸克-物理结构

所有的物质都是由原子构成的。世界上存在数千种原子。但原子并非构成物质的最小单元，它的内部还有自己的结构。10-10米大小的原子内部绝大部分是真空的，中心有极为致密的核，大小约10-15米。电子绕着原子核运动，其量子式的运动曾困惑了很多人。

物质的内部结构正如同俄罗斯套娃一样，打开一层，又出现下一个层次。同理地，原子核也有内部结构：它由质子（proton）和中子（neutron）经强力作用力结合在一起构成。

1947年以前，我们只认识质子、中子、电子、μ子等为数不多的几种粒子。人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称其为“基本粒子”。此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现存在了大量其他粒子，如π、Κ、Λ、Ξ、Δ等一百多种。这些粒子中有的寿命很短，产生后很快就蜕变为其他粒子。因此，随着时间的推移，只观测到越来越多的基本粒子。人们不禁要问，后发现的这些粒子还是基本的吗？

1961年美国的候世达（Douglas R. Hofstadter）用波长为德布罗意波长的电子轰击质子，结果发现质子并不是一个几何点，它有大小，半径为10-15米，电荷就分布在这样一个小空间范围。中子也有大小，半径10-15米。中子虽然电荷为零，但在10-15米为了解释质子和中子的内部结构，1964年盖尔曼（Murray Gell-mann）假定：前面所说的一百多种“基本粒子”是由满足粒子物理标准模型中SU(3)对称的三种夸克：上夸克(up quark)、下夸克(down quark)、奇异夸克(strange quark )及其反粒子构成，其电荷分别为质子电荷的（2/3，-1/3，-1/3）。

后来人们发现共有6种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克（charm quark）、顶夸克(top quark)和底夸克(bottom quark)。后四种夸克高度不稳定；大多数物质是由前两种夸克组成的。我们通常只取这六种夸克的英文首字母，称作u、d、s、c、t和b。我们还用“味(flavor)”这个词来形象地区分这6种不同的夸克。不同夸克除味不同外，其他物理参量的取值不同也有一些区别，比如质量，电荷，自旋，重子数，轻子数，同位旋量子数等。夸克有一个奇异的物理量：色量子数。每种味的夸克另有3种不同的颜色，由于夸克带电，每种夸克另外存在自己的反夸克，因此，总共存在6×3×2=36种夸克。 范围内电荷密度有正有负。

夸克-性质

夸克具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2或-1/2。最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，比如质子（uud），中子（udd）；反重子则是由三个相应的反夸克组成的。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子（sss），这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。顶、底、奇、魅夸克由于质量太大（参见下表），很短的时间内就会衰变成上夸克或下夸克。夸克按其特性分为三代，如下表所示：

世代 自旋    特色        中英文名称               符号       带电量 / e      质量 / MeV.c-2

1   + 1/2   Iz=+1/2  上夸克（Up quark）            u         + 2/3            1.5 to 4.0

1   - 1/2   Iz=?1/2 下夸克（Down quark）           d         - 1/3            4 to 8

2   - 1/2   S=?1    奇异夸克（Strange quark）      s         - 1/3            80 to 130

2   + 1/2   C=1      魅夸克（Charm quark）         c         + 2/3            1150 to 1350

3   - 1/2   B′=?1  底（美）夸克（Bottom quark）   b         - 1/3            4100 to 4400

3   + 1/2   T=1      顶（真）夸克（Top quark）       t         + 2/3            171400 ± 2100

反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss)，这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。

中国的部分物理学家称夸克为层子，因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。

在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。

夸克理论还认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如，日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的，π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的，它们都是无色的。

除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在，华裔科学家丁肇中便因发现魅夸克（又叫J粒子）而获诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t)。

至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”，相信是最后一种，它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化，因为大爆炸最初产生的高热，会产生顶夸粒子。

研究显示，有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时，密度大增会把夸克挤出来，最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大，但仍会发光。

夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见，认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由五个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50％。2001年，日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的，它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。

陆陆续续地，共有九个实验群组宣称发现了penta-quark的证据。但是在其它较高能的实验组及其数据中，包括使用轻子对撞器如德国 DESY 的 ZEUS 实验，以及日本 KEK 的 Belle 与美国 SLAC 的 BaBar 两大 B介子工厂实验、以及使用强子对撞器的美国 费米实验室中的 CDF 与 D? 实验，都没有观测到应该存在的证据。因此，所谓的五夸克粒子(penta-quark)存在与否，还是一个极具争论性的话题。同时，春天八号也计划将会再提升其效能，以比目前强10倍的辐射光，获取更大量的实验数据，来进行统计上的确认。

 

 

 武当山最高峰天柱峰，海拔1612米，如擎天一柱，四周有72峰环揖拱立，形成“七十二峰朝大顶“的地貌奇观。

坐落在天柱峰上的金殿是武当山古建筑的精华。金殿内供奉着真武大帝的圣像，以及捧册端宝的金童玉女、执旗捧剑的战将等，其造型艺术达到了后来者不可企及的水平，是我国古代铜铸艺术的瑰宝。

金殿是铜铸仿木结构宫殿式建筑，类似于北京故宫的太和殿，建造在天柱峰顶约160平方米石筑平台正中。据《明史》及《武当山志》记载，金殿全部构件在北京铸成后，由运河经南京溯长江水运至武当山，拼装榫铆而成。永乐皇帝对运送船只还专门发布一道圣旨：“务要小心谨慎，遇天道晴朗、风水顺利即行。船上要十分整理清洁，不许做饭。

     铜铸鎏金的金殿为重檐庑殿式仿木结构，结构殿身的立柱、梁枋以及瓦鳞、檐牙、窗棂、门限等诸形毕备；面阔进深均为三间，高5.54米，重檐迭脊，翼角飞举，上饰龙凤、天马、仙人等吉祥之物，栩栩如生。

     金殿处于特殊的地理位置，加之建筑技术的高超，随气候和风云变幻，时时会出现陆海奔潮、飞蚁来朝、祖师映光、平地惊雷、雷火炼殿等奇观胜景。其中雷火炼殿是最让人惊心动魄的！

     古时的金殿没有避雷设施。每年夏秋雷雨季节，当雷电交加时，金殿周围闪电奔突，不时有巨大的火球在金殿左右滚动，耀眼夺目，遇物碰撞即发生天崩地裂的巨响。有时雷电划破长空，如利剑直劈金殿，刹那间，武当山金顶金光万道，直射九霄，数十里外可见武当峰巅之上，红光冲天，其景如同火山喷发，惊心动魄，神奇壮观。

   

 

而在这无数次的雷击电劈之下，金殿却泰然自若，毫发无损。而金殿左右的签房、印房和后面的圣父母殿，均是砖木结构，自打金顶修造了这些建筑后，因“雷火炼殿”被击毁和烧毁数次，轻微的损伤就更难以胜数。八十年代后期，金殿后的一棵千年古松也因此而丧生。令人奇怪的是，经受过一次次雷击后的金殿，不仅毫无损坏，无痕无迹，而且更加金光闪耀，新灿如初。雷击一次，好像回炉冶炼了一次，如同古诗云：“雷火铸成金作顶”。

于是，雷火炼殿就成了武当山金顶的一大奇观。

人们传说，真武大帝既怕香客染脏了金殿，又怕偷走了金殿内的稀世珍宝，便每年派雷公、电母来洗炼金殿。一是把金殿上的污物除去，保持金殿清洁干净；二是使图谋不轨的小人心惊胆寒，魂飞丧胆。

在金殿的屋脊上装饰有很多鎏金的铜龙、凤、马、鱼、狮等珍禽异兽，它们金光闪闪，栩栩如生。其中有一匹金马全身发黑，每到夏季，它口吐雾气，飘向碧空，化为紫霞。同时还发出“咴咴”的长啸声。人称“海马吐雾”。相传是它给雷公电母发出的信号。雷公电母听到叫声，火速赶到，即刻就会出现“雷火炼殿”奇观。

据考证，这匹金马内部是空的，里面充满了湿度很高的气体。雷雨前，武当山金顶气候闷热，冷暖空气上下剧烈交替，加上日光曝晒，金马体内的空气受热膨胀，便从口中吐出气体。气体在外界冷空气的影响下，凝成水雾，看上就像海马吐雾一样，这和人们严冬呼出的热气，遇冷凝成雾气是同理。金马那“咴咴”的长啸声，是上下交替的气流与马口相互摩擦而产生的。至于“雷火炼殿”，是一种自然现象。武当山重峦叠嶂，受热不匀，气候多变，金殿算在天柱峰之巅，是座庞大的导电体，很多带电积雨云都朝金殿运动。当达到一定距离时，云顶与金顶上的尖角之间形成了巨大的电位差，使空气电离，拉成弧线，即闪电。同时强大的电弧使周围的空气剧烈膨胀而爆炸。于是电弧发生变形而成了火球，并发出惊天动地雷鸣，即“雷火炼殿”。经历“雷火炼殿”之前，金殿除鎏金部件外，一些生了锈的铜铸件、铁栏杆、一经炼殿，霎时间，系用除锈剂擦拭过一般、立刻恢复到原来面貌而金光闪闪。这是由于金殿是金属导体，遇有雷击，屋顶上便一片电光石火，平时附着在金殿上的烟尘锈垢被雷电烧炼，经雨水冲净后便辉煌如初。

为加强金顶文物保护工作，有关部门在1980年，对金顶安装了避雷网、避雷针。防雷问题解决了，但金殿的“雷火炼殿”奇观再也没有重现过。

  金殿历经近600年的风雨雷电，至今仍金光夺目。这座我国古代流传至今最大的铜铸鎏金大殿，稀世国宝，它所显现的千古奇观，是明代建筑科学家和工匠们的高深学问和精湛技艺带来的异彩。而如何做到既要防雷保护文物，又要使金殿重新显现“雷火炼殿”的奇观，则又是留给现代科学工作者和文物研究家们所要解开的谜。

 

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。　

GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米 级的定位精度也只能采用相位观测值。　　

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30~100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级 的相位差分定位（RTK），实时差分定位需要数据链将 两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于这种目的的接收机被称为大地型接收机，是接收机中性能最好的一类。目前，GPS已经能够达到地壳形变观测的精度要求，IGS的常年观测台站已经能构成毫米级的全球坐标框架。

 

关于地球磁场的来源，早期历史上曾有来自北极星的传说，但是到公元17世纪初就已经认识到地球本身就是一个巨大的磁体，不过当时仍不清楚地球磁场是怎样产生的。随着科学的发展，对于地球磁场观测和地球结构的研究不断增多和深入，对地球磁场的来源先后提出了10多种学说。这里按照历史的先后对一些各有一定根据或设想的地球磁场来源学说作简单介绍：(1)永磁体学说，是最早提出的一种学说，认为地球内部存在巨大的永磁体，由这永磁体产生地球磁场，但后来认识到地球内部温度很高，不可能存在永磁体；(2)内部电流学说，认为地球内部存在巨大的电流，形成巨大电磁体产生地球磁场，但是既未观测到这种巨大电流，而且巨大电流也会很快衰减，不会长期存在；(3)电荷旋转学说(公元1900年，简写作1900)，认为地球表面和内部分别分布着符号相反、数量相等的电荷，由地球自转而形成闭合电流，由此电流产生磁场，但这学说缺乏理论和实验基础；(4)压电效应学说(1929)，认为在地球内部物质在超高压力下使物质中的电荷分离，电子在这样的电场中运动而产生电流和磁场。但理论计算出这样的磁场仅有地磁场的约千分之一(10-3)；(5)旋磁效应学说(1933)，认为地球内的强磁物质旋转可以产生地球磁场，但这种旋磁效应产生的磁场只有地球磁场的大约千亿分之一(10-11)；(6)温差电效应学说(1939)，认为地球内部的放射性物质产生的热量，使熔融物质发生连续的不均匀对流，这样产生温差电动势和电流，由此电流产生地球磁场，但理论估计也同地球磁场不符合；(7)发电机学说(1946－1947)，认为是地球内部的导电液体在流动时产生稳恒的电流，由这电流产生地球磁场；(8)旋转体效应学说(1947)，是根据少数天体观测得到的经验规律，认为具有角动量的旋转物体都会产生磁矩，因而产生磁场。这一学说需要使用一无科学根据的常数，5年后又被提出这一学说的科学家根据精密的实验结果加以否定了；(9)磁力线扭结学说(1950)，认为在地球磁场磁力线的张力特性和地核的较差自转，会使原始微弱的地球磁场放大，由此产生地球磁场；(10)霍尔效应学说(1954)，认为在地球内部由于温度不均匀产生的温差电流和原始微弱磁场的同时使用下，会由霍尔效应产生霍尔电动势和霍尔电流，由此产生地球磁场；(11)电磁感应学说(1956)，认为由太阳的强烈磁活动通过带电粒子的太阳风到达地球后，会通过地球内部的电磁感应和整流作用产生地球内部的电流，由此产生地球磁场。在这些学说中，只有发电机学说(又称磁流体发电机学说)在观测、实验和理论研究上得到较多的证认，是目前研究和应用较多的地球磁场学说。但是由于地球内部结构较复杂，影响地球磁场的因素又很多，因此这方面的观测、实验和理论等方面的研究仍需要不断地进行。地球从外到内分为地壳层(岩石层)、地幔层、外地核层和内地核层。地壳主要为硅-铝氧化物和硅-镁氧化物等，地幔层主要为铁-镁硅酸盐和铁的氧化物和硫化物，外地核层和内地核层主要为铁(约90％)和镍(约10％)金属，外地核层呈液态，内地核层呈固态。从地壳层到内地核层，温度越来越高，压力也越来越大。地球磁场主要产生在液态金属的外地核层。 

  关于地球磁场反向的学说，也有近10种，主要有非偶极型磁场变化学说(1964)，无规磁场起伏学说(1968)，地核流体对流对称性变化学说(1969)，地核流体对流区分布变化学说(1969)，地核三偶极型磁场学说(1969)，偶极型磁场变化学说(1971)，双偶极型磁场学说(1975)，银河星系旋臂干扰学说(1974)，地外天体撞击学说(1987)等。前7种地球磁场反向学说来自地球内部，可称为内源说，后2种地球磁场反向学说来自地球以外天体的干扰或撞击，可称为外源说。

       从以上的介绍可以看出，不论是地球磁场及相关磁现象的研究和应用，还是地球磁场和地球磁场反向的来源的学说，内容都是很丰富的，有的方面在科学意义上或是在应用价值上还是十分重要的。

 

摘要： 现代人的生活，似乎离不开电.物理概念的发展而言，更有趣的，也更重要的是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了离不开它的地步。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，对全人类可能（但不必然）产生的巨大影响。

一、前言

:现代人的生活，似乎离不开电。电灯、电话、电视、电影、计算机、电冰箱…，样样都是生活必须用品。一旦停电，日子不知怎么过。但世界上第一个有规模的发电厂（尼加拉水力发电厂，显示了当时电力的需求已渐普遍）开动，不过是1896年的事，距今只有一百多年。(电视连续剧「大宅门」描写清末民初电灯、电话初到北京城的情形，相当有意思。一百多年间，这个世界上大部份的人的生活，从几乎没有电器用品，到充满了电器用品，这变化不但是巨大得令人难以想象，并且深入到生活、思想、感情…，所有的人生面向。举个有诗意的例子：爱情上受挫折是古今中外诗歌中最常见的题材。古诗中固然有怨恨情人变心的，但也很常见的是所爱之人远在他乡，衷情难诉，以致相思甚苦。例如：古诗十九首「采之欲谁遗，所思在远道」。李白长相思「天长路远魂飞苦」等等。如今的流行歌曲中，第二种越来越少，第一种却很多。──今日的手机、e-mail等等，使距离不再成为谈情说爱的障碍，但却防不了情人变心。──这也显示了，要了解古人，就要从古人当时的情境来看才能妥切。

也许，很多人有兴趣知道最新奇的发明。但从物理概念的发展而言，更有趣的，也更重要的是；人们怎么会从不知道用电，一步一步，变成了有了用电的能力，终于到了离不开它的地步。这段历史，也最能鲜明地描绘出：以理解大自然为目标的科学研究，对全人类可能（但不必然）产生的巨大影响。

二、古代的电磁观察与应用

1936年，考古学家在巴格达附近挖出了一些铜罐，罐中铺了沥青，沥青上插着铁条。在大约同一地点，还发掘出了一些镀金物品。有研究者便认为这些铜罐就是巴比伦人发明的电池，而镀金物（如果是电镀）是这些东西确是电池之证据。而这些东西，其年代有早到公元前2000年以上的。

如果这是真的，巴比伦人领先了近代电池(伏特，1793)与电镀(1800-35)，将近四千年。

古希腊人发现了琥珀、毛皮等摩擦可以生电，至今英文Electricity的字根，尚是希腊文的琥珀。但对他们说来，天上的雷电，仍然是宙斯大神的脱手武器。中国人很早就知道天然磁石会吸铁，带电物会吸小物体（东汉王充27-97「论衡」电磁力之记述：「顿牟拾介，慈石引针」），以及利用磁针导航，甚至对磁偏角有所记述(方以智，~1600)。「磁针导航」这技术，传到西方，促成了西方的「大探险时代」(15-16世纪。1492哥伦布发现美洲，1498达伽马绕过好望角到达印度，1519-22麦哲伦环绕世界一周，称为「三大航海」。他们都用磁针罗盘。)也引起了十八世纪以后的殖民主义。

:这些电磁的观察与应用，可以使我们感叹古人之智能，特别是巴比伦电池。但巴比伦电池即使是事实，对日后电磁学发展，却没有什么影响。摩擦生电与磁性现象却在停滞千余年之后，在十八世纪的西欧，成为电磁学发展的出发点。

三、电之捕捉与库伦定律

十七世纪末(1684年)，牛顿出版其「自然哲学之数学原理」。从此，研究自然界之力之种种，成为物理学之中心课题，一直到今天。但这本书太成功了，力学的现象，从天上行星之运转，到地面苹果落地，似乎它都能精准描述。然而，牛顿此书中只有一种力：万有引力。牛顿也知道自然界绝不止这一种力，例如，杯子打破了，碎片不可能凑起来就合而为一，可见原来把杯子各部份连合成一块的力不是万有引力；万有引力太微弱，不足以使物体聚合成形。故牛顿以后，要做有挑战性的研究，莫过于研究万有引力之外的力。

电与磁都会产生力，而且比万有引力大很多。（如果两块磁铁，吸在一起，使其相聚之力是磁力，就可以分分合合。）因此，十八世纪的欧洲，很多人在研究电与磁。特别是电，更富挑战性。因为电这个东西，虽然摩擦两个适当的物体，就能产生。带电物体会吸小纸片，有时还会在黑暗处冒火花，好玩得很。(当时，还有人发明了摩电器。)但是，却不容易驾驭，一不小心就被它溜掉。

1734年，法国人杜菲（Charles-Francois du Fay，1696-1739），玩来玩去，玩出心得。他发觉不管是用什么东西摩出来的，电只有两种。他命名之为「玻璃电」与「树脂电」。只有不同类的电，相互靠近时才会相吸或冒火花，同类的不但不冒火花，还会相斥。他又发明了一个器具：密封的玻璃瓶中，插入一根金属棒，瓶内的一端，挂上两片金箔；瓶外的一端，做成一个小球。带电的物体靠近小球时，金箔就会张开。──这些，今日看来都没有什么了不起，但在电还是「神出鬼没」的时候，这是不简单的成就。

 然而，每次玩电，都要从头摩起，相当烦人。1745年，荷兰莱顿大学教授穆森布洛克(Petrus van Musschenbrock，1692-1761)，根据克莱斯特(E. G. Kleist, 1700-48)发明的储电器，发表了「莱顿瓶」。这也是一个玻璃瓶，内外壁上各贴一圈锡箔纸。内壁可以「充电」（把摩擦来的电碰触而输进去），这些电很久都不会跑掉。如果用两根金属线，把内外相连，两金属线的缝隙中就可以产生火花。

今日来看，「莱顿瓶」不过是个简单的电容器，但当时极受欢迎。瓶子越做越大，火花也更壮观。可是，电到一下可不是好玩的(也有人特意去尝一下被电的滋味)。这可以说这是人类驯服电的开始（姑且不算巴比伦），但也开始领教了电的威力。

 十八世纪初，美国还是欧洲的化外之地，文化落后，更无所谓科学。波士顿的一个做肥皂与蜡烛的工匠，十七个子女中的第十个，自学有成，文采斐然。与欧洲，特别是英国的科学家，保持通信。他从英国进口仪器开始，研究电学而成名，到后来被英国皇家学院选为院士。在美国的独立革命中，他以著名科学家的身份，出使法国，立下大功。也在独立宣言(1776)上签名，成为美国的开国元勋之一。他就是鼎鼎大名的富兰克林(Benjamin Franklin，1709-1790)。

1752年，他在大雷雨中放风筝，把天上的电，收到莱顿瓶中。从此证明了天上的电，与摩擦出来的电是一样的；一般人所怕的雷，声势吓人，其实并不可怕，伤人破屋的是电。进一步，他就发明了避雷针：建筑物上装一根金属针，通到地下，屋中的人就不怕雷了，因为电就会被导入地下。（新英格兰有一教堂中的牧师，认为避雷针保护好人，也保护坏人，有碍上帝的意旨，故在讲道中大加谴责。不料没几天，教堂受到雷击，塌了一角，只好也装上避雷针。）此外，他注意到了两种电有相互扺消的现象，所以他建议把「玻璃电」与「树脂电」改名为「正电」与「负电」（模拟于正数与负数之相互扺消）。

富兰克林的正负电命名，沿用至今，但是却有些不幸。因为常用的金属导线中流动的都是电子，而电子上所带的电，却被命名为负电。以致电线中的电流若是向左，其中电子其实是向右跑。

【正数与负数之相互扺消】这事中，含有量的关系（+3,-3可以相消，+3,-2就消不干净。）「电荷量」之测定，却要归功于法国人库伦(Charles Augustin Coulomb, 1736- 1806)。(也有人得到类似的结果，但以他的发表最早，影响也最大。)

库伦出身兵工军官，早年在中美洲驻扎时，把身体搞坏，回国做研究。法国大革命(1789)后退隐家园。他发现了用细长绳索吊挂一根细棍，细棍两端对称以维持水平。两端若受水平方向之微力，则以的绳索之扭曲以平衡之。这「扭称」(torsion balance)可以做很精准的力的测量(至今尚是的测量微小力的最精准工具，但这种实验都是很难做的)。在1785-91年间，他用这工具，反复测量，终于发现了库伦定律:

　　:电荷与电荷之间，同性相斥，异性相吸。其力之方向在两电荷间之联机上。其大小与电荷间之距离之平方成反比，而与两电荷量之大小成正比。

这是电学以数学来描述的第一步。请注意：

 (1) 此定律用到了牛顿之力之观念。(若无牛顿对力之阐述，很难想象此定律是何形式)。这成了牛顿力学中一种新的力。其与牛顿万有引力有相同之处，如：与距离之平方成反比；亦有不同，如：可以相吸，亦可以相斥。

 (2) 这定律成了「静电学」(即电荷静止时之各种现象)之基础。如今所有电磁学，第一个课题必然是它。

 (3) 这也是电荷单位的来源。例如：两个相同之电荷，相距一公尺，若其相斥之力为「若干」时，称之为一单位。原理上，这「若干」可以任意选定，所以电荷单位有好几种。但今日「公制」(MKSA)的做法，却是先决定电流单位「安培」(理由见后)，再以一安培之电流一秒中的累计量为一「库伦」，再间接决定这「若干」=9×109牛顿。

(4) 这9×109牛顿，相当于九十万公吨的重力──静电力强大的可怕。虽然也可以说一库伦的电荷太大，但无论如何，正负电相消的趋势是很强的。日常的物体中，虽然电荷很多，但几乎都抵消的干干净净，呈现电中性的状态。必须花功夫（如摩擦）才能使其呈现带电状。而且，一不小必就又跑去中和掉，所以难以驾驭。

因此，虽然库伦定律描述电荷静止时的状能十分精准，单独的库伦定律的应用却不容易。以静电效应为主的复印机，静电除尘、静电喇叭等，发明年代也在1960以后，距库伦定律之发现几乎近两百年。我们现在用的电器，绝大部份都靠电流，而没有电荷(甚至接地以免产生多余电荷)。也就是说，正负电仍是抵消，但相互移动。──河中没水，不可能有水流；但电线中电荷为零，却仍然可以有电流！

四、从伏特电池、安培定律到电报、电话：

:雷雨时的闪电，或莱顿瓶的火花放电，都是瞬间的事。电虽然在动，但是太快了，很难去研究电流的效果。电池可以供应长时间的电流（直流电）。因此，电池的发明是电磁学上的大事。──这也就是为什么巴比伦电池这样令人惊讶。

十八世纪欧洲人到处掠夺殖民地。当时也没有什么保护生态观念，殖民地出产的珍禽异兽，一股脑捉回家去。亚马逊河出产一种电鱼，能发出瞬间强电，电晕小动物。当然，电鱼也被捉回了欧洲。这引起了不少人研究「动物电」的兴趣，也就是动物的身体如何发电。1780年，意大利波隆大学教授加凡尼（Luigi Galvani, 1737 - 1789 ）发现了用电击死蛙之腿，可引起抽动。而蛙腿夹在不同金属（如铜、锌）间则可发出电来。与他认为这是「动物电」效果。

1793年，加凡尼的朋友，比萨大学教授伏特(Alexandro G.A.A. Volta, 1745 -1827)把一块锌板，一块铜板放到舌头上下，而用铜丝将两板连结，他发觉舌头会感到咸味，而铜丝中有电流现象（如: 可使蛙腿抽动）。但不久他发觉这与「动物电」无干，因为若不用舌头，而用一片浸过碱水的纸板夹在铜、锌之间，也可生电流。而且，如果用多重的锌、纸、铜、锌、纸、铜、…，会得到更明显的电流(蛙腿抽动不止)。──这就是最早（如果不算巴比伦）的电池(碱性电池)。有了稳定的电源，电流的研究与应用才能展开。电压单位伏特(volt) 就是因纪念他的功劳而命名的。

:这种【伏特堆】(Voltaic pile)，很快被人仿效，越做越大(可以表演连续火花)，以后又有人加以改良，越做越精致。──直到现在，改良电池还是一门专业的学问。

在伏特电池发明后没多久，就有人发现电流可以从溶液中通过。1800年，英国William Nicholson (1753-1815) 与Anthony Carlisle (1768-1840)，发现了电解现象，例如水可以被通过的电流被分解为氢与氧。此为电在化合中作用之线索，亦为电解、电镀之原理。但是把电镀技术改善到可以应用，则要到1835年的德国人西门子（Ernst W. Siemens，1816-1892，其弟William, 后来成为英国爵士，兄弟创办「西门子」公司，至今尚存。）──巴比伦的镀金物如果真是四千年前的电镀做成的，实在令人惊叹。

然而，怎样「定量」(测定电流的大小)，还是不容易，当时有人想了各种方法（如利用电线之发热），又难又不准。

电与磁之间，很早便被认为有些关连。记载中，有一间铁铺被雷电击中，铺中铁器都生了磁性。十八世纪以后，很多人在研究放电现象时，都注意到附近的磁针会动。1820年，丹麦哥本哈根大学教授奥斯特(H. C. Oersted, 1777-1851) 在演讲时表演电流生热，发现一根导线中的电流，会使附近的磁针偏向垂直方向，也就是电流可以产生「磁力」；越大的电流，这种现象越明显，而且，这种现象，不受纸板间隔的影响。这发现立时引起了很多人的兴趣。不久，便有人把导线绕成很多重的「线圈」，只要很小的电流，就能产生很大的磁力。线圈电流固可使小磁针转动，但如果是一个固定的大磁铁，线圈也会反向而动。──同年，德国人Christoph Schweigger(1779-1850)与Johann C. Poggendorff，就用这方法制成电流计。从此，电流成为物理（或工业）中测定最方便的量之一。这也就是为什么在公制中，先订电流单位「安培」，再订电量单位「库伦」之原因。

法国物理学家安培(Andre Marie Ampere, 1775-1836) 立刻想到：所有磁性的来源，或许都是电流。他在1820年，听到奥斯特实验结果之后，两个星期之内，便开始实验。五个月内，便证明了两根通电的导线之间也有吸力或斥力。这就是电磁学中第二个最重要的定理「安培定律」：

两根平行的长直导线中皆有电流，若电流方向相同，则相吸引。反之，则相斥。力之大小与两线之间距离成反比，与电流之大小成正比。

（安培也写下了两小段电流作用力之量化描述，可以计算各种形状的电流间之力。如今这称为比奥─沙伐定律。Jean-Baptiste Biot, 1774-1862, Felix Savart 1791- 1841两人与安培几乎同时进行类似的实验）。

公制中，用安培定律以定义电流单位「安培」：两个平行之同向同大小之电流，相距一公尺，若其相吸之力为2×10-7牛顿/公尺时，称之为一安培。这电流单位在使用上有其方便，例如一百瓦的电灯中的电流大约一安培。这2×10-7牛顿/公尺是很小的，故平常在两根电线中，相互之力不太容易察觉。──但做成线圈后，可以产生很大的力。

以后，安培又证实了通了电流的筒状线圈之磁性，与磁铁棒完全一样。故他提出假说：物质之磁性，皆是由物质内的电流而引起的。这使「磁性」成为「电流」的生成物。（这也解释了为什么磁铁没有单极的）。──他后来被誉为「电磁学」的始祖(电与磁从此在物理中是分不开的)。他的名字，也成了电流的单位。

安培早慧，但一生不幸。（童时亲见其父在法国大革命时上断头台，娶妻甚贤，但又早逝）。在听到Oersted 之发现后，立刻意识到电流与电流之间必有力在，洞察力惊人。

 : : : : : : : :安培这个发现，在应用上极为重要。它提出了用电流而发出动力，使物体动起来的方法，准确而可靠。因此，它是电流计(以及各种电表)、电马达、电报，电话之原理。特别是电报，在1835年以后就成了新兴事业，大赚其钱。然而，在开始时，也有人对这些新玩意感到恐惧而抗拒。（例如：对电磁学也有贡献的大数学家高斯Karl F. Gauss, 1777 - 1855。）──电报业风光了一百多年。时至今日，卫星通讯发达以后，电报业就没落了。

安培定律之后，电磁学理论与应用之发展可以说「风起云涌」。1825年，英William Strugeon (1783-1850)发明电磁铁，使这种作用力更方便有效。1826年，德University of Cologne的数学教授欧姆(George S. Ohm, 1789- 1854)，发表了欧姆定律，厘清了电压、电流、电阻间的关系(V=iR)。这个定律是以后所有电路理论的开端。但他发现了欧姆定律后，反而被攻击而辞职，失业了好几年后他才另外找到工作。电流消耗能量的关系式，则要到1839 年，才被英国的焦耳(James Prescott Joule, 1818-69)确定（焦耳定律P=i2R）。这成为以后电力买卖的计价基础。

十九世纪的美国，挟其地大物博之优势，发展极快。美国人好新奇，敢冒险，在电器的发明上，领先全世界。美国人亨利(Joseph Henry, 1799-1878)，原在一个乡下学校教书，并做研究（当时在美国这是少见的）。1829年，他改良电磁铁，发明电报的原理。(据说他比法拉第更早一年发现电感现象，但未发表)。后来他转往New Jersey College(以后的Princeton University)任教。1835年，美国画家摩斯(Samuel F.B. Morse, 1791-1872)，发明了摩斯电码（Morse Code），制成了电报的第一个原型。从此，电报开始发展成新兴工业。1854-58 年，英国Univ. of Glasgow的凯尔文（William Thomson，后来封爵Lord Kelvin, 1824-1907），研究越洋电缆理论，促成大西洋两岸之电讯。他也因此发财。1876年，美国人贝尔(Alexander G. Bell,1874-1922 )发明电话。贝尔的家传技艺是audiology(帮助聋哑的技术)。他发明电话后成为巨富，热心公益。他的公司，至今尚存。晚年他宣称讨厌电话，隐居加拿大东北极寒之地纽芬兰。

焦耳、凯尔文现在的名气，多因其热学上的成就，(焦耳之热功当量，凯尔文之绝对温标)。而且，他们合作，发现了气体膨胀时，温度下降（Joule- Thomson Effect），这是冷冻机原理。但这发明当时英国的工业界不感兴趣。焦耳去世较早。凯尔文1892之封爵，也是因越洋电缆。

为什么冷冻机原理当时引不起英国工业界的兴趣？为什么用途广泛的电马达（其原理只是安培定律）没有很早的发展？其中重要原因之一是这些都要大量的电力，而当时还没有一个便宜的发电方法（电池发电太贵了）。因此，用电量较小的通讯器材（电报、电话），就率先发达。对当时的一般民众而言，生活中用电还是少见的事。电报是紧急时才用的，而电话也只有少数有钱人才装得起。

要等发电机成功之后，用电量大的器材，才能发展。而电器之普及，也才能实现。

五、法拉第定律与发电机：

公认的实验天才法拉第 (Michael Faraday, 1791-1867)是伦敦一位铁匠之子。少年时在一家书店做学徒。当时，皇家研究所（Royal Institute）的所长达维(Sir Humphrey Davy, 1778-1829) 为了教育大众(也为了争取经费)，举办了一系列的通俗演讲。法拉第去认真听讲，并做了完整的笔记，装订成册。以后他便以这一套笔记，受到达维赏识，被聘为皇家研究所的助理(1812)。不久，他在实验方面的才能，便显露出来，成为达维的得力助手。达维退休以后，他被任命为所长(1821)。

达维是电解专家(1807年发现了钠与钾)。法拉第早年是达维的助手，他对电解有很周密的研究。他发现了通电量与分解量有一定的关系，并且与被分解的元素之原子量有一定的关系。由此，可以大致导致两个结论：(1) 每个原子中有一定的电含量（以今日而言，是一定的电子数）。（2）原子在化合时，这些电量起了作用，而通电可使化合物分解。因此，牛顿寻求的分子中的化合之「力」，必与电有关。（此想法在1807年由达维提出，法拉第进一步加以验证，至今尚是正确的。）

法拉第少年失学，缺少科学方面的正式训练，这是他的缺点，但也可能是他的优点。他不长于数学，但有极强的「直感」。他在电与磁的直感的基础是「场」与「力线」概念。

牛顿的万有引力定律提出之初，受到很多质疑。其中之一是：很多人认为，两个相距遥远的物体，无所媒介，而相互牵引，是不可置信的（连牛顿本人对此也有所犹疑）。但是由于万有引力之大获成功，这种「超距力」的概念，不久便被普遍接受了。电磁学中的「库伦」、「安培」等力之观念，起始时亦是这种「超距力」。

在牛顿前一百年的英国人吉伯特(William Gilbert, 1540-1603)是伊利莎白一世的御医。他的一本「论磁」(De Magnete,1600) 是有系统地研究电磁现象的第一本书（大部份说磁，因其在当时比较有用），其重要性是扬弃了磁性之神秘色彩，以一种客观的自然现象来描述之。吉伯特之「论磁」中曾提出「力线」之观念。这就是说：磁性物质发出一种「力线」，其它磁性物质遇到了这「力线」便受到力之作用。这样就避过了「超距力」的「反直觉」。

 (a)力线不断、不裂、不交叉打结，但可以有起头与终止。例如：电场之力线由正电荷发出，由负电荷接受。力线的数量与电荷之大小成正比。（磁场以「磁北极」为正，「磁南极」为负。）

(b)力线像有弹性的线，在空中互相排斥又尽量紧绷。其密度与施力之大小成正比。

(c)力线有方向性，电力线之方向是对正电荷之施力方向（负电受力方向相反），在磁力线是对「磁北极」之施力方向（「磁南极」受力方向相）。

法拉第则更进一步，提出了「场」的概念：空中任意一点，虽然空无一物，但有电场或磁场之存在，这种「场」可使带电或带磁之物质受力。而「力线」则是表现「场」的一种方式。但是，法拉第的「场」观念，当时也受到强烈的质疑与反对。最重要的理由是这观念不及「超距力」之精确。把「场」观念精确化，数学化的是后来的麦克斯威。

他对电磁学最重要的贡献是「电感」之发现。──有磁性的磁铁，可以使附近的无磁性的铁棒磁化。根据安培的发现，通了电流的筒状线圈的磁性与磁铁棒相同，实验上它也可以使其附近的无磁性的铁棒磁化。法拉第就想：是否也可以用通了电流的筒状线圈来引起其附近另一个筒状线圈中的电流？

他1824年开始做实验，起初找不到什么结果。直到1831年，他用了四百多英尺的电线做了两个互相套合的线圈，才在无意中发现：在第一线圈中的电流关掉的瞬间，第二线圈中有瞬间的电流产生，甚至冒火花。他继续研究，发现第一线圈中的电流有变化时，第二线圈中才有电流。而第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。法拉第接着又发现，一个移动的磁铁或通了电流的筒状线圈，也可以使附近的线圈中，产生感应电流。──这就是电磁学中第三个最重要的「法拉第定律」。

这个定律与库伦、安培都不同；它是动态的。第一线圈中的电流变化越快，第二线圈中的电流越大。（这是变压器原理）。或磁铁、有电流的筒状线圈，移动得越快，第二线圈中的电流也越大。这就是「发电机」(把动能化成电能)的原理。

法拉第也知道他这发现的重要。发现之后，皇家研究所举办成果展览。英国财政大臣也来参观。看到助手们表演火花放电以娱伦敦民众，不太高兴，便问法拉第：你花了政府这么多钱，就为了表演？法拉第冷冷地回答了四个字：You will tax it!(你会有一天抽它的税)。

法拉第做了一辈子研究，退休时(1855)两袖清风，不知何去何从(当时没有退休金制度)。英维多利亚女皇则早准备了房子、终身俸及封爵，给他一个惊喜。法拉第接受了房子及终身俸，坚辞封爵。

　　但是，实用的发电机却不是那么简单，法拉第定律之后五十年才在美国做出来。

　　美国人爱迪生(Thomas A. Edison, 1847-1931)号称「发明大王」，拥有（或共享）的专利，有1093项，至今无人打破纪录。其中包括电灯、录音、电影等等，对「电化世界」有决定性影响。1879发明的白炽电灯(以碳化纤维为灯丝)，造成轰动，是第一个人人都感到非要不可的电器。但他在发电机的竞争上，却输给了对手。可能的原因是他太执着于直流电（他甚至宣扬交流电危害人类）。──以法拉第定律而言，交流发电机的制作比较顺理成章，而且，交流电才能使用变压器，利于长途输电。

他的竞争对手是西屋(George Westinghouse, 1846 -1914) 与特斯拉(Nicola Tesla, 1856 -1943, 也有700项专利，包括变压器、日光灯，交流电马达)。特斯拉年轻时从匈牙利移民美国，先在爱迪生手下做事，但他热心做交流电，与爱迪生不合，辞职后去挖沟。后来辗转被西屋雇用。1882年，特斯拉制成第一部交流发电机。他们对交流电机之发展，使「西屋公司」成为电机工业之百年重镇。

1896尼加拉瀑布水力发电开始。世界的电化，从此展开。但电磁学的故事，还没有完。

六、麦克斯威与无线电

与法拉第之实验天才对比，麦克斯威（James Clerk Maxwell, 1831-1879）则是长于数学的理论物理学家的典型。他生于苏格兰的一个小康之家。自幼便充份显示了数学之才能。他先在阿伯丁(Aberdeen)大学任教，以后转往剑桥。在物理中，今日麦克斯威之重要性，几可与牛顿、爱因斯坦等量齐观。但生前，麦克斯威并不受其故乡苏格兰之欢迎（爱丁堡大学不要他，死时亦未有公开之表扬）。他在剑桥大学则受到重用，出任Cavendish Laboratory的首任所长。

他在1855年，发表了「法拉第之力线」一文，受到将退休的法拉第的鼓励。1862年，他由理论推导出：电场变化时，也会感应出磁场。这与法拉第的电感定律相对而相成，合称「电磁交感」。此后他出版了「电磁场的动态理论」（A Dynamic Theory of Electromagnetic Field, 1867），「电磁论」(Treatise on Electricity and Magnetism, 1873)，其重要性可以与牛顿的「自然哲学的数学原理」相提并论。

通过了数学（主要是「向量分析」），麦克斯威写下了著名的「麦克斯威方程式」，不但完整而精确地描述了所有的已知电磁场之现象，而且有新的「预言」。其中最重要的是「电磁波」：

　　(1)由于「电磁交感」，故电磁场可以在真空中以「波」的形式传递。

　　(2)计算之结果，这波之速度与光速一致，故光是一种「可见的」电磁波。

　　(3)这种波亦携带能量、动量等，并且遵从守恒律。(1884波亭定理，英John Henry Poynting ,1852-1814是麦克斯威的学生，他推导出电磁场中的能量的流动关系式。)

「光是一种电磁波！」这句话现在是常识，在当年则骇人听闻。麦克斯威只靠纸上谈兵（数学运算），就做大胆宣言，也难怪当年根本不信有电磁波的人居多。但他自己却信心满满。有人告诉他有关的实验结果，不完全成功，他毫不在意。他有信心他的理论一定是对的。──以后的理论物理学家很多人就学了他这种态度。有一个物理学者(Dirac)的一个理论被实验证明是错的。他就抱怨：这么美的理论，上帝为什么不用？

德国人赫兹(Heinrich R. Hertz ,1857-1894, Karlsruhe Polytechnic)是第一个在实验室中证明电磁波存在的人。他先把麦克斯威的电磁学改写成今天常见的形式(1884)。然后在1886-88年，做了一系列的实验，不但证明电磁波存在，而且与光有相同波速，并有反射、折射等现象，也对电磁波性质（波长、频率）定量测定。当然，也同时发展出发射、接收电磁波的方法。──这是所有「无线通讯」的始祖。──此时麦克斯威墓木已拱。

一般人都说无线电的发明人是意大利的马可尼(Guglielmo Marconi 1874- 1937，获1909年诺贝尔奖 )。俄国人则说是波波夫(Aleksandr Popov, 1859-1906, Univ. St. Petersburg)。但在推广实用上与影响力上，马可尼似乎领先一步。(特斯拉也有无线电的专利，但时间更晚。)1901年，马可尼实验越洋广播成功，轰动一时，从此开始了广播工业。

七、结语

麦克斯威的电磁理论（经赫兹改写），成为现在理工科的学生都要修的电磁学。简单的说来，电磁学核心只有四个部份：库伦定律、安培定律、法拉第定律与麦克斯威方程式。并且顺序也一定如此。这可以说与电磁学的历史发展平行。其原因也不难想见；没有库伦定律对电荷的观念，安培定律中的电流就不容易说清楚。不理解法拉第的磁感生电，也很难了解麦克斯威的电磁交感。

这套电磁理论，在物理学中，是与牛顿力学分庭抗礼的古典理论之一。如果以应用之广，经济价值之大而言，犹在牛顿力学之上。但也不能忘记，如果没有牛顿力学中力之概念，电磁学也发生不了。电磁学中的各定律，也无法理解。因此，普通物理中，也必然先教力学再教电磁。

力学与电磁学被称为「古典理论」有两层意思：(1)它可以自圆其说，没有内在的矛盾。(2)但是到了廿世纪量子理论确立后，它们被修改了。力学后来被修改为量子力学，电磁学被修改为量子电动力学。然而，在原子之外，这两个古典理论仍是非常精确，故理工学生仍然不得不学它们。

回顾电磁学的历史，是很有趣的。一直到十八世纪中，电磁似乎只是一种新奇的玩具。──科学与艺术一样，起步时都有游戏性质。──但到了后来，其产生的结果，竟然改造了世界。当然，并不是所有科学工作都有这样大的威力。也有些科学的成果令人不敢恭维（例如原子弹）。然而，科学有这样的可能，却是我们不得不重视科学研究的终极原因。