电和磁是我们熟悉的东西。电让灯泡发光。磁让磁铁吸住冰箱。很久以前人们觉得这是两回事。一位名叫麦克斯韦的科学家改变了这个想法。他把电和磁联系在一起。他想到了我们眼睛看不见的波。这些波就是电磁波。今天的世界离不开电磁波。

人们早就知道电。摩擦琥珀可以吸引小纸屑。这是静电。后来人们发明了电池。电线连着电池就有了电流。电流可以做功。电流流过铁丝铁丝会发热。电流通过马达马达会转动。电的规律被人慢慢发现。一个叫库伦的人研究电荷的力。电荷同号相斥异号相吸。这个力和距离有关。距离越近力越强。一个叫奥斯特的科学家有了新发现。通电的导线能让旁边的小磁针偏转。这说明电可以产生磁。这是重要的联系。

磁的现象人们也知道得很早。天然磁石能吸铁。指南针利用地磁指向南北。人们最初不知道电和磁有关系。奥斯特的实验打开了新大门。之后一位叫法拉第的科学家做了更多实验。他把磁铁靠近线圈。线圈中产生了电流。磁也能产生电。这就是电磁感应。发电机和变压器都基于这个原理。法拉第想到了“场”。他认为是空间中的一种状态在传递力。他画出了磁感线。感线密的地方磁场强。这是一种形象的思考方式。

麦克斯韦研究了前人的工作。他特别重视法拉第的想法。他想用数学语言描述这些现象。数学公式能更精确地表达规律。他总结了四个方程。这就是著名的麦克斯韦方程组。方程看起来复杂但道理深刻。第一个方程说电场的来源是电荷。第二个方程说磁单极子不存在。磁场线总是闭合的。第三个方程说变化的磁场能产生电场。这是法拉第电磁感应的数学描述。第四个方程说电流和变化的电场都能产生磁场。这是麦克斯韦自己的重要贡献。

麦克斯韦在第四个方程里加了一项。这一项叫做“位移电流”。变化的电场就像一种电流。它也能产生磁场。这个想法很大胆。正是这个添加项让理论完整了。麦克斯韦把四个方程放在一起。他发现电场和磁场可以相互激发。变化的电场产生磁场。变化的磁场又产生电场。这样循环下去。电场和磁场就能在空间里传播出去。它们像波浪一样向前传。这就是电磁波。

麦克斯韦计算了电磁波的速度。他用已知的常数做计算。计算结果是一个数字。这个数字接近当时已知的光速。光速大约每秒三十万公里。麦克斯韦提出了一个惊人的猜想。光就是一种电磁波。这个想法把电、磁和光统一起来了。以前人们不知道光的本质。现在明白了。光是我们眼睛能看见的一种电磁波。可见光只是电磁波的一小部分。

这个理论当时很多人不相信。人们需要实验证明。二十多年后赫兹做了实验。他制造了一个电路。电路产生火花。这火花就是快速变化的电流。它产生变化的电磁场。根据麦克斯韦的理论会有电磁波发射出去。他在房间另一头放了另一个电路。这是一个环形线圈。中间有个小缺口。当电磁波传过来线圈里产生感应电。缺口处出现了小火花。这个实验成功了。电磁波真的存在。它可以被发射也可以被接收。这直接证明了麦克斯韦的理论。

电磁波的发现改变了世界。人们很快意识到它的用处。马可尼发明了无线电。不用电线就能传递信息。电报、广播、电视都来了。它们都靠电磁波传递信号。后来雷达出现了。雷达用电磁波探测物体。飞机和船只的航行更安全了。再后来手机出现了。手机通话和上网也用电磁波。无线网络让电脑和手机连接起来。我们今天的生活充满电磁波。没有电磁波就没有现在的通信。

电磁波有不同频率。频率就像波浪抖动的快慢。不同频率的电磁波有不同的名字和用途。频率最低的是无线电波。收音机和电视用这个波段。频率高一些的是微波。微波炉和卫星通信用微波。频率再高就是红外线。遥控器和热成像仪用红外线。我们眼睛能看见的是可见光。红橙黄绿青蓝紫频率依次增高。比可见光频率高的是紫外线。紫外线能杀菌也能晒伤皮肤。频率更高的是X射线。X射线能透视身体检查骨骼。频率最高的是伽马射线。伽马射线能量很强用于治疗肿瘤。

电磁波的应用非常多。医学上X光拍片子能看到骨头。核磁共振利用电磁波看身体内部。它没有辐射很安全。天文学家用射电望远镜接收宇宙中的电磁波。这些波来自遥远的星系。它们带来宇宙的信息。我们因此知道黑洞和脉冲星。日常生活中的微波炉加热食物。食物中的水分子吸收微波能量振动产热。食物就热了。遥控器按一下发出红外信号。电视接收到信号就换台。这些都是电磁波的应用。

没有麦克斯韦的理论这些可能都不会发生。他把电和磁统一成一套理论。他预言了电磁波的存在。他指出光的电磁本质。他的方程简洁优美。它们被刻在许多物理学家的T恤上。它们是现代物理学的基石之一。爱因斯坦深受麦克斯韦的影响。相对论的提出也与此有关。麦克斯韦方程组是经典物理的顶峰。它告诉我们世界如何运作。电和磁不再是神秘的力量。它们是场在空间中的振动和传播。

我们生活在一个电磁世界里。早晨闹钟响起。闹钟的电波来自远处的基站。我们打开灯。灯光是电磁波中的可见光。我们用手机看新闻。新闻信息通过电磁波传到手机。我们坐地铁上班。地铁的安全检查用X光。我们中午用微波炉热饭。晚上看电视。电视信号通过天线接收。这些平凡的事情背后是麦克斯韦的理论。他的思想穿透了时间。它从一百多年前的纸面来到今天。它变成了我们手中发光的屏幕。它变成了连接全球的无线网络。它变成了探索宇宙的深空望远镜。

电磁波看不见摸不着。但它真实存在。它充满我们周围的空间。它携带能量和信息。它让远隔万里的人瞬间通话。它让夜晚的城市灯火通明。它让医生看清病人的身体内部。它让人类看到百亿年前的宇宙星光。这一切始于对电和磁的思考。始于法拉第的实验和想象。最终由麦克斯韦用数学完成。几个方程解释了如此多的现象。科学的力量就在于此。简单的原理能衍生出复杂的世界。基础的研究能带来技术的革命。

今天的孩子学习物理。他们会学到电荷和磁铁。他们会做奥斯特和法拉第的实验。他们会看到麦克斯韦的方程。他们会知道电磁波。他们用手机和无线网络觉得理所当然。他们可能不知道背后的故事。但这个故事值得记住。这是一个关于统一和预言的故事。这是一个关于思考和发现的故事。这个故事告诉我们理解世界的基础规律多么重要。它像一把钥匙。这把钥匙打开了一扇门。门后是我们今天生活的现代世界。