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全球都知说念光是一种电磁波，这是你在物理课上学习的第一件事之一，因为这是一个相称遑急的发现。但较少东说念主知说念的是，夙昔的形而上学家和物理学家是怎么缓缓得出这一发现的。这是一个很是的旅程，最终将物理学的三大因素归并成一个调理的表面。诚然，这并不是一个东说念主完成的，而是通过缓缓揭示每个“分支”的秘要，积贮了饱和的学问，才使这些不绝得以开荒。最终由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将它们通过四个方程组合在一说念。

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在夙昔很长一段技能里，电、磁和光是都备孤苦的本心。不同于电和磁，光无处不在，因此问题不在于发现本心，而是解释咱们为什么能看到事物。我不念念深入到太陈旧的历史，但确乎有一段技能，东说念主们合计咱们看到事物是因为眼睛辐射出某种明后，它以某种面容照亮了物体。但昭着，这种表面应该让你在夜晚也能看到东西，因此东说念主们合计，来自咱们眼睛的明后与来自太阳等光源的明后之间存在某种互相作用，且莫得这种互相作用，咱们就无法看到东西。

在梗概1000年独揽，伊斯兰科学家伊本·海赛姆是第一个正确解释视觉本心的东说念主。他指出，视觉是一个在咱们大脑中发生的本心，而咱们所看到的一切，都是来自某个光源的明后反射到物体，再反射到咱们的眼睛。因此，光是一种孤苦于咱们眼睛的物理本心。

从这时起，你可以开动对光建议科学问题了。为什么光有不同的激情？为什么它会反射？为什么它投入不同的透明介质时会篡改标的？为什么它能穿透某些材料，而只可从某些材料上反射？光的传播速率是若干？它是短暂传播的吗？光到底是由什么构成的？

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光的反射定律如故为东说念主所知很长技能了，它告诉咱们，反射光的角度与入射光的角度交流，这频频归功于伊本·海赛姆，他将这一定律口头化。然则，折射定律则愈加复杂，它在历史上被屡次重新发现，但第一个对折射本心的正确数学神色来自荷兰天文体家和数学家维尔布罗德·斯涅尔，在17世纪早期建议。

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这亦然“游戏”的确凿开动，因为斯涅尔并莫得使用任何光的模子来推导这个方程，他基本上只是不雅察数据，并为其拟合了一个方程。但为什么光恪守这一定律仍然是个谜。然则，至少当今它不再是隧说念的形而上学问题了。

艾萨克·牛顿合计光是由微细的粒子构成的，而克里斯蒂安·惠更斯则合计光是由波构成的。但由于牛顿在物理学界的影响力很大，因此他获取了更多其他物理学家的复古。然则，正确的模子应该解释斯涅尔定律。惠更斯的表面提供了一个当然的解释，前提是波在更密的介质中会减慢。

但牛顿，你诡计怎么用粒子来解释这一切呢？其实牛顿找到了一个法子，而且尽头令东说念主印象深刻。他的念念法是，每个光粒子会被介质诱骗。若是光粒子处于单一介质中，由于介质均匀散布，力是各向同性的。但若是光粒子位于更密介质的界限上，那么粒子会在垂直于介质名义的方朝上受到更强的诱骗力，这将导致在这个方朝上的速率增多，进而导致光的鬈曲。这听起来很可以，但这个表面无法解释其他问题，举例衍射、干与或偏振，更无须说还有很多其他问题莫得搞定了。

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跟着越来越多的凭据指向波动表面，我个东说念主合计对粒子表面的致命一击是发现光在更密的介质中本体上传播得更慢。那么当今一个问题是，光的速率是若干？第一个尝试测量光速的是伽利略，他在1638年让两个东说念主在托斯卡纳的山顶上拿着灯笼，一个东说念主通达灯笼，另一个东说念主看到后也通达，通过技能延长来测量光速。但用这种面容检测光速，光速必须相称慢。

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更好的测量是由丹麦天文体家奥勒·罗默在1676年通过不雅测木星的卫星木卫一的运行得出的。他留心到木卫一的“eclipse time”跟着地球标的的变化而变化，愚弄天体之间的低能距离，他缱绻出光速梗概是每秒22万公里。之后，越来越多的精准测量出现了。詹姆斯·布拉德利在1728年通过恒星光行差测得光速为每秒301，000公里，Hyppolite Fizeau在1849年通过齿轮测得光速约为每秒313，000公里。一年后，莱昂·傅科重迭了这一实验，测得光速为每秒298，000公里，接近今天界说的每秒299，792，458米。

因此，咱们当今相称详情光是一种波动，况兼具有有限的传播速率。但到底是什么在振动呢？要回话这个问题，咱们需要望望科学探索的另一个前沿。咱们刚刚征询的是光的部分，但与此同期，东说念主们也在筹商电和磁。这两种本心早已被发现，但直到最近，东说念主们才确凿掌合手了它们。

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以电为例，长技能以来，它只是一种道理的本心。第一个解释电的伟大表面来自本杰明·富兰克林。他念念象每个物体周围都有一定量的电流体，有些物体有更多，有些则更少，而当然界的基本规章是老是保持均衡。因此，若是两个物体的电量不同，电流体就会从一个物体流向另一个物体，以达到均衡。因此，咱们不雅察到的电本心即是这种流体从一个物体流向另一个物体。这与咱们今天所知的模子通常，电流体的缺少可以与负电荷关联，而电流体的过量可以与正电荷关联。

1785年，库仑发表了对于电荷、力和距离之间相关的筹商，指出电荷之间的作用劲与两个物体的电量成正比，与它们之间距离的正常成反比。

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这即是库仑定律。那时还莫得讲求的电荷单元，而在当代的库仑定律中，存在一个比例常数，

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其中，

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叫作念介电常数，具有这些单元：

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当库仑建议他的定律时，连接电流尚未被发现。连接电流是由亚历山德罗·伏特在1794年发现的，他发现若是将锌和铜放在一说念，并在它们之间放一些浸有盐水的硬纸板，它们就能产生连接的电流。从这个发现开动，事情发达得相称快。但在深入之前，咱们还需要简要了解一下磁学的历史。

磁性材料磁石梗概在公元前600年被希腊东说念主发现。磁石的磁性特色有很好的应用。举例，可以用它从身体中取出金属箭头，但更遑急的是，它促成了11世纪指南针的发明，这是那时相称遑急的开荒。然则，东说念主们对磁铁的道理一无所知，以致不知说念指南针道理。他们合计可能是北极星有磁性，或者朔方有某种磁岛，是以指南针老是指向这个标的。

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但在1600年，威廉·吉尔伯特通过实验得出论断，地球自身即是一个强盛的磁铁，这即是指南针起作用的原因。然则，这仍然莫得解释磁性到底是什么。但有东说念主怀疑磁性与电有某种不绝，有东说念主合计它可能是某种口头的静电或访佛的东西，但与此同期，这些磁铁的行径又与电不同。

1820年，汉斯·克里斯蒂安·奥斯特作念出了一个要紧轻松，他发现指南针的针会因为隔壁的电流偏离地球的磁北极。

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这是第一次径直诠释了两个看似孤苦的当然力之间的不绝。接下来的任务是用数学公式来抒发这两种力之间的不绝。这个任务在1820年至1825年由安培完成，咱们今天称之为安培定律。

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该定律指出，若是取一个弧线dS，缱绻与弧线平行的磁场强度，并将统统孝敬相加，也即是说，作念一个弧线上的磁场B的线积分，那么它等于穿过弧线dS所包围的名义的总电流乘以一个常数μ_0，这个常数咱们称为磁导率。

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1830年，卡尔·弗里德里希·高斯引入了他的高斯定律，

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这基本上即是库仑定律，但用一种愈加基础的面容书写。它通俗地暗意，通过某个闭塞名义S的电通量等于闭塞名义内的总电荷。你可以从库仑定律推导出高斯定律，反之亦然。

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高斯定律在某些场景下更容易使用，尤其是当有多个电荷时，它提供了更好的物纠合释，匡助纠合某些看似舛误的本心。最终，高斯定律成为了麦克斯韦方程组中的一部分。

咱们如故知说念电和磁通过安培定律互关联联，因此咱们知说念可以通过电流产生磁场。但法拉第发现了怎么通过磁场产生电流的法子。他定性地发现，单纯存在磁通量并不会在导线中产生电流，但若是磁通量随技能变化，就会产生电流，这即是法拉第电磁感应定律。

法拉第在发现电磁表面方面的另一个遑急孝敬是，他初度引入了咱们今天称之为“场（field）”的主见。他称之为“力线”，

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其中正电荷的力线向外指，而负电荷的力线向内指。通过使用这些力线，统统的电磁定律都可以直不雅地解释。举例，法拉第解释电磁感适时指出，当导体切割磁场线时，电流就会被感应出来。

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不外，法拉第并莫得为他的发现提供任何数学神色，他只是给出了定性的纠合。而接下来即是本故事中的最大骁雄——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。那么他作念了什么呢？在开动之前，声明一下，我不会使用原始口头的方程，而是使用当代口头的方程来幸免羞耻，但这些方程的内容都备交流。

当今，咱们如故有了高斯定律，这是一块拼图。麦克斯韦还引入了磁场的高斯定律，它指出，若是对随便闭塞名义进行积分，总会获取零，

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因为莫得磁单极子。然后是安培定律，

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但安培定律有一个问题，它是不一致的，这意味着你可以假想一个实验，在这个实验中，安培定律会给出两个不同的效果。为了使这个方程一致，麦克斯韦引入了一个新项，

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称为“位移电流密度”。因此，为了使安培定律一致，不仅电流密度会产生磁场，技能变化的电场也会产生磁场。这偶而被合计是他对电磁表面的最大孝敬之一，因为当今不仅电场和物理实体（如电流）之间有不绝，电场自身之间也有不绝。

然后，麦克斯韦奏效推导出了法拉第定律的数学抒发式，

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告诉咱们技能变化的磁场会产生电场，而这个电场又会产生电动势，这即是为什么咱们会在导线中测量到电流。道理的是，这个方程只波及场，莫得其他物理实体，举例并不存在“磁流”。因此，若是莫得法拉第建议的遍布空间的场的主见，这些发现将变得相称穷苦。

让咱们抛开统统物理的东西，比如电流和电荷，剩下的即是真空中的方程。

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这些方程只是是电场和磁场之间的隧说念相关。你也可以看到这些方程以微分算子的口头书写，

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依然是交流的物理道理，只是不同的口头。因此，变化的电场会产生磁场，变化的磁场又会产生电场，这似乎是一种好意思好的共生相关，对吧？若是你在电场中制造一个波动，它会在磁场中产生另一个波动，而这个磁场中的波动又会再次产生电场波动，这将连接下去，直到有某种物理物体招揽了能量。

那么，这些波动在空间中传播的速率有多快呢？好音书是你可以通过这些方程缱绻出来，而你获取的数字即是这个值。

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你只需要知说念两个常数，

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它们可以通过静态实验详情，而这些常数在麦克斯韦的期间如故被知说念了。是以他将这些常数代入缱绻，得出了光速c。当他将这个效果与光速的测量效果进行相比时，他一定感到相称相称幽静。电磁场的波动以与光交流的速率传播。诚然，这并不一定意味着电磁波即是光，但这是一个尽头有劲的凭据，不是吗？

当今我要援用爱因斯坦的话：

技能-空间定律的精准表述是麦克斯韦的责任。念念象一下当他发现我方所推导的微分方程诠释电磁场以极化波的口头传播，况兼传播速率等同于光速时的感受。寰宇上很少有东说念主能体验这么的经验。

物理学家花了几十年技能才都备纠合麦克斯韦发现的深切兴致，因为他的天才让物理学发生了强盛的飞跃。对我来说，另一个相称道理的场地是，麦克斯韦发现了第一个相对论表面——一个恪守狭义相对论的表面telegram 反差，而狭义相对论那时以致还不存在。是以若是有东说念主问我，谁是第一个确凿的表面物理学家，我可能会说是麦克斯韦。因为若是咱们说表面物理学家的责任是通过数学揭示物理实际，那么麦克斯韦恰是这么作念的。

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