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第2章 超链接世界的诞生电磁波（第1页）

第2章超链接世界的诞生——电磁波

仅1小时之前，麦克斯韦的理论还只是猜想，但现在，在国王学院图书馆查阅了参考书，确定了理论中的一些参数后，麦克斯韦已经非常肯定他知道了一些世界上从未有人知道的事情：什么是光!

这个速度与光速如此吻合，看来有充分的理由断定，光本身（包括热辐射和可能存在的其他辐射）是以波动的形式在电磁场中按电磁规律传播的一种电磁扰动。

——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）

从人类历史的角度长远来看，比如说从现在算起一万年以后，那时几乎可以将麦克斯韦电动力学定律的发现判定为19世纪最重大的事件。

——理查德·费曼（Riman）[10]

1887年11月13日，德国卡尔斯鲁厄

就在这一天，海因里希·赫兹（Heiz）匆匆吃完早饭，同妻子伊丽莎白（Elisabeth）和小女儿约翰娜（Johanna）吻别后，快步穿过卡尔斯鲁厄的大街来到大学校园。他对今天要做的实验信心十足。一到实验室，赫兹立即拉下百叶窗，打开这几天和助手朱利叶斯·安曼（JuliusAmman）一直在搭建的振**电路。电流从两万伏特的感应线圈涌出时，赫兹听到微弱的噼啪声。起初什么也看不见，直到眼睛适应了黑暗，赫兹才确信，在预留的7。5毫米气隙中有时断时续的火花在闪动。令赫兹满意的是，发射器正在按预期工作，然后他转向了接收器。

在工作台上距发射器1。5米远的地方，赫兹竖起了一圈铜线。线圈上也留有一个很小的气隙。他用螺丝把这个缺口尽可能调小，然后在昏暗的实验室中眯起眼睛盯着那个缺口看。什么都没有发生。

赫兹回到了发射器那里。由于电路的振**频率非常高，火花在气隙中来回闪烁的速度太快，已无法用肉眼观察到任何闪动。在发射器气隙的两侧各有一根1。5米长的导线，每根导线的另一端都放着一个直径30厘米的锌球。移动锌球在导线上的位置，就可以改变电路的电容，从而改变火花闪烁的频率。赫兹调节着锌球的位置，同时仔细观察着接收器，以便找到发射器与接收器之间的谐振频率。他这样反复试验了好几次，还是什么都没有发生。

赫兹继续仔细调节锌球在导线上的位置，每次只调整几毫米。整个上午，他都在这样有条不紊地工作着，沉着耐心、从容不迫。终于有了一间自己的专属实验室，赫兹十分高兴，这曾是他在柏林大学（theUyofBerlin）时唯一的梦想。1885年之前，赫兹一直在柏林大学担任德国著名科学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermaz）的助手。虽然有悖常理，但他很感激最近席卷德国的经济萧条，因为这次经济大萧条让赫兹所在院系的学生数量锐减，这使得他可以专心致志地投入到研究中。

赫兹又做了一次调整后，站了一会儿，捋着整洁的胡子，脑子里闪过一个念头：这真的有用吗？此时，一种微妙的声音引起了赫兹的注意。他捋胡子的手停了下来，皱起眉头，在接收器旁蹲下去，仔细倾听。

缺口很小，只有百分之几毫米宽，火花不大容易看到，却较容易听到。那里有火花闪烁发出的声音，没错，气隙里的确有火花!

赫兹关掉了振**器，接收器上的火花熄灭了；再次打开振**器时，火花又出现了。很明显，有某种看不见的东西通过空气，从发射器传到了接收器!虽然还无法证明，但赫兹心里清楚那是什么。早在15年前，就已经有人预测了这种东西的存在!那是一位才华横溢的苏格兰物理学家，然而很不幸，他已经英年早逝。

1862年10月，伦敦

秋雨初霁，天空晴朗，走出国王学院（King'sCollege），驻足在河滨圣母教堂（StMaryleStrand）的对面，欣赏着雨后街道上积水的反光，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的心情无比舒畅，感觉好像是在天空中自由地飞翔。仅1小时之前，他的理论还只是猜想，但现在，在国王学院图书馆查阅了参考书、确定了理论中的一些参数后，麦克斯韦非常肯定，他知道了一些世界上从未有人知道的事情：什么是光!

一辆运草马车上的车夫大声地呵斥着，将麦克斯韦从冥想中惊醒，他及时跳到了安全的地方，脚差点儿被沉重的车轮碾到。麦克斯韦沿着斯特兰德大街（StrandRoad）出发，一路上避让着那些卖花、卖鱼、卖水果的小贩和流浪汉。虽然麦克斯韦习惯每天早上从肯辛顿（Kensington）的家步行4英里（约6。4千米）到国王学院的图书馆，然后坐马车回家，但今天，他迫切地想尽快赶到图书馆，所以反过来，坐车去，走路回。

麦克斯韦穿过特拉法尔加广场（TrafalgarSquare），沿着帕尔购物中心东侧，经过干草市场，最后来到了皮卡迪利大街（PiccadillyRoad）。麦克斯韦答应过妻子凯瑟琳，今天下午一起去海德公园（HydePark）骑马。他原计划直接回家，但来到阿尔伯马尔大街时，一种强烈的冲动使他暂时抛开了与妻子的约会。麦克斯韦将繁忙街道的喧嚣抛在身后，朝着那条街尽头的皇家学会（TheRoyalInstitution）走去。这座建筑拥有新古典主义风格的门面外观和巨大的科林斯式壁柱。

迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）开创性的电磁实验就是在皇家学会进行的。1825年，这位伟人也正是在此为人们做了那些著名的圣诞演讲（ChristmasLectures）[1]。自1860年从阿伯丁（Aberdeen）搬到伦敦以来，麦克斯韦本人也在这里做过多次演讲。1861年5月，在一次成功的演讲中，他在大屏幕上投射了一张格子呢缎带的图片，那是世界上第一张彩色“照片”。[11]

法拉第比麦克斯韦年长40岁，已经是一位71岁的老人了，由于身体状况不佳，四年前他就退休回到了伦敦西南泰晤士河畔的汉普顿宫。法拉第偶尔还会去皇家学会坐坐，麦克斯韦希望能幸运地在那里找到这位朋友并分享他的发现，但他运气不佳。麦克斯韦得到了门卫的许可后，下了楼，来到地下室。在法拉第废弃的磁学实验室里，他凝视着积满灰尘的线圈、电池和化学试剂瓶，麦克斯韦十分清楚，要是没有法拉第在这间屋子里进行的实验，他不可能有今天非凡的发现。

法拉第与麦克斯韦来自完全不同的社会阶层。麦克斯韦是格伦莱尔庄园1500英亩（约607公顷）土地的继承人，该庄园位于苏格兰南部邓弗里斯（Dumfries）附近的乌尔河谷。事实上，一天前，他就是从庄园那里坐火车来伦敦的。相反，法拉第出身寒门，父亲是穷得叮当响的铁匠。[2]14岁时，法拉第在牛津街附近的马里波恩（Marylebone）做装订工学徒。几十年前，纽盖特监狱（ePrison）每次用马车押送死刑犯到泰伯恩（Tyburn）行刑场上绞刑架时都要经过这条街。

法拉第的师父乔治·瑞博（GeeRibeau）是胡格诺教派（Huguenot）的难民。瑞博曾鼓励法拉第阅读正在装订的书籍，其中许多都是科学著作。为了学到更多东西，法拉第参加了市哲学学会（theCityPhilosophicalSociety）的每周讲座。学会的创始人是银匠约翰·塔图姆（JohnTatum），这些讲座也都是他在多塞特街附近的家中举办的。法拉第被“应该相信自己能证明的东西”这种思想所启发，他开始用自己微薄的工资能买得起的设备进行科学实验。他还为塔图姆的讲座做了精美的插图笔记，事实证明，这些笔记对改变法拉第的人生至关重要，因为师父瑞博把这些笔记拿给一位来他布兰福德街48号店的顾客看了。

这位顾客就是建筑师、艺术家乔治·丹斯（GeeDance），他的父亲是皇家学会的成员。丹斯征询了瑞博的同意后，把法拉第的笔记拿给自己的父亲看。第二天，丹斯带着一张入场券回到瑞博的店，让法拉第参加汉弗莱·戴维（HumphryDavy）举办的系列讲座。这份礼物就像罗尔德·达尔（RoaldDahl）的小说《查理和巧克力工厂》（dtheChocolateFactory）中的金奖券一样，成为法拉第过上更好生活的通行证——尽管不是立刻见效。

戴维是当时最著名的英国科学家之一，发明了矿工安全灯[12]，发现了许多新元素，还和娱乐圈的明星一起发表演说。他的听众有一半是女性，传说风度翩翩的戴维让不少女性为之倾倒。第一次听讲座时，法拉第几乎无法抑制自己的兴奋。那天晚上，他发现自己置身一群喋喋不休的上流社会人士之中，在皇家学会摇曳的火盆灯下排队恭候这位“英雄”的到来。

1812年，跟随瑞博做学徒的生活临近尾声，21岁的法拉第谋得了一个专业职位——听天由命地接受图书装订的差事。似乎冥冥中自有定数，戴维因实验室爆炸而导致暂时性失明，老丹斯让法拉第过去帮忙。于是，法拉第成了这位自己心目中偶像的助手，度过了几天美好的时光。

帮完忙之后，法拉第担心从此与科学再无机缘。所以他想到了一个主意，利用当学徒时掌握的技能，把他在皇家学会做的演讲笔记装订起来寄给了戴维。尽管希望渺茫，但在平安夜，法拉第还是收到了回信，戴维答应在新年里给他一次面试的机会。面试如约进行，可戴维又说他那里暂时不缺人，这让法拉第很失望。然而，有一天，奇迹发生了，一辆马车停在法拉第家门前，戴维的仆人带来了一封信。信上说，前洗瓶工因为打架斗殴而被解雇了，如果法拉第想要这份工作的话，那就是他的了。[13]

戴维是当时欧洲最伟大的科学家之一，不仅他的祖国——英国封他为爵士，就连当时与英国交战的法国也授予他拿破仑奖（theNapoleonPrize）。但戴维最大的成就是雇用了迈克尔·法拉第。

后来法拉第成了戴维的助手，二人都对电十分着迷。戴维是电化学领域的开拓者，他用电化学技术分离出了九种化学元素，其中就包括钾、钠、钙、钡、锶和镁。

19世纪初，处于科学前沿的电学超出大众的想象。在当时，电学看起来如此神秘、超自然，有些人甚至认为它是邪恶的。1781年左右，路易吉·伽瓦尼（LuigiGalvani）发现，电可以让死青蛙的腿**。在这一发现的启发下，早熟的18岁少女玛丽·雪莱（MaryShelley）于1818年创作了小说《弗兰肯斯坦》（Fraein，又译为《科学怪人》）。[14]在那个时代，电学最重要的进展是亚历山德罗·伏特（AlessandroVolta）在1799年发明的电池。电池可以产生连续电流，使研究电成为可能。[15]

真正让戴维和法拉第全力投入研究的是来自丹麦的惊人消息。1820年4月21日，汉斯·克里斯蒂·奥斯特（HansOersted）在哥本哈根大学讲学时，偶然注意到，无论何时开通或切断导线中的电流，罗盘指针都会偏离磁北极，并且指针的偏转方式与罗盘靠近磁铁时完全相同。这一发现毋庸置疑地说明，载流导线也是磁铁。接下来，人们自然会猜测，这一发现能否用来解释磁的起源呢？像铁这样的磁性物质内部是否存在不停流动的电流呢？以前从没有人猜到电和磁之间存在着联系。

1821年9月4日，法拉第巧妙地利用了奥斯特发现的效应进行了实验。[16]就在地下室的这间磁学实验室里，法拉第用固定的磁铁和可旋转的载流导线，实现了导线绕着磁铁的持续旋转。尽管这个实验因用到了一槽毒性很强的汞作为导电介质，这使它缺乏实际用途，但它验证了电动机的原理。实际上，法拉第在前一天就发明了世界上第一台电动机，使用的是固定的导线和可旋转的磁铁，而不是固定的磁铁和可旋转的导线。