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(James Clerk Maxwell)
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(Richard Feynman)[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(Heinrich Hertz)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(Julius Amman)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(the University of Berlin)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(Hermann von Helmholtz)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's College)，驻足在河滨圣母教堂(St Mary le Strand)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(Strand Road)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(Trafalgar Square)，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(Piccadilly Road)。麦克斯韦答应过妻子凯瑟琳，今天下午一起去海德公园(Hyde Park)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(The Royal Institution)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(Michael Faraday)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(Christmas Lectures)[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(Newgate Prison)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(George Ribeau)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(the City Philosophical Society)的每周讲座。学会的创始人是银匠约翰·塔图姆(John Tatum)，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(George Dance)，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(Humphry Davy)举办的系列讲座。这份礼物就像罗尔德·达尔(Roald Dahl)的小说《查理和巧克力工厂》(Charlie and the Chocolate Factory)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(the Napoleon Prize)。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(Luigi Galvani)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(Mary Shelley)于1818年创作了小说《弗兰肯斯坦》(Frankenstein，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(Alessandro Volta)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(Hans Christian Oersted)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。
如果有可能的话，麦克斯韦一定会不惜一切代价，穿过车水马龙的阿尔伯马尔街赶到现场，亲眼见证那块磁铁在一种无形力量的驱使下神秘地旋转，就好像来自遥远未来的某种不可思议的奇迹，通过时间隧道降临在19世纪的伦敦。那天见证这一奇迹的不只有法拉第，还有他14岁的侄子乔治(George)。当时两人兴奋地绕着实验台手舞足蹈，之后还去看了一场马戏，以示庆祝。
显而易见的问题是：既然电流能产生磁，那么磁能不能激发电流呢？直到1831年夏天，法拉第才找到答案。那时，戴维已经去世，法拉第接替他担任了皇家研究所实验室主任。
奥斯特发现电流的磁效应后不久，被称为“电学中的牛顿”的法国科学家安德烈·玛丽·安培(André-Marie Ampère)就发现，将导线绕制成圆柱形的螺线管可以提高磁效应。[17]螺线管的匝数越多，其磁效应越强；但相邻的导线不能相互接触，否则会发生漏电。这就需要在导线之间插入不导电材料，也就是我们常说的绝缘体。
法拉第因而转向螺线管，尝试用磁力生电。那时人们知道铁能极大地增强螺线管的磁性，所以法拉第把铁做成直径为15厘米的环形，在铁环的两边，用导线各绕了一个紧密的螺线管线圈。线圈中相邻导线之间、层与层之间，以及线圈与铁芯之间用布隔开。尽管这两个线圈之间没有电学连接，但法拉第预计，电流流过一个线圈把它变成磁铁时，产生的磁“卷须”将通过空气延伸到另一个螺线管线圈中。
法拉第合上开关，让电流流过第一个螺线管线圈，令他高兴的是，第二个线圈中出现了一股短暂的电流；然后他切断了线圈的电流，另一股稍纵即逝的电流出现在第二个线圈中，但奇怪的是，这一次，电流流向相反的方向。这是一个划时代的发现，法拉第成功地用磁生成了电。
后来法拉第找到了一种更简单的方法来达到同样的目的：只要将条形磁铁插入螺线管线圈中，当把磁铁推进去时，电流流向一个方向；把磁铁拉出来时，电流流向另一个方向。法拉第并不知道其中的原理，但他发现的电磁感应终有一天会改变世界，并将促进大规模发电的发电机的发展。
毫无疑问，电和磁之间存在着密切的联系，但最基本的问题仍然悬而未决。电是什么？磁是什么？尽管这些谜团仍然困扰着法拉第，但经过那些开创性的实验，他已经对电和磁是如何工作的有了一定认识，这引导着法拉第产生了一个激进的(在当时可被称作“异端的”)想法。
当法拉第拿着铁块靠近磁铁时，能真切地感受到磁铁的吸力，于是，他得出结论，磁铁周围的空间中一定散布着某种看不见但真实存在的东西。当法拉第拿着用毛皮摩擦过的琥珀靠近碎纸时，琥珀吸住了细小的纸屑，他由此确信，电荷周围的空间中也充斥着某种真实但看不见的东西。
在法拉第看来，磁铁在周围的空间里建立起磁力场，而正是这个磁力场作用于金属。类似地，带电物体在周围的空间中建立起电力场，而正是这个场作用于碎纸片。想象中，法拉第似乎可以看到这些磁铁、电力场就像一阵风、一团雾，弥漫在空中。
以这种方式看待世界的只有他一个人。在当时，人们都认为起主要作用的是电流，但法拉第坚信电力场才是关键。在他看来，电场存在于导线周围的空间中，是能量的主要载体，导体只是电场的引导者。电流仅仅是次级效应，是导体和电场相交的地方，由电场推动电荷的流动。
关于场的想法揭示了奥斯特和法拉第的发现中赏心悦目的对称性。奥斯特发现的载流导线的磁效应，表明变化的电场会产生磁场；法拉第发现的电磁感应，表明变化的磁场会产生电场。
法拉第“场”的观点之所以不被接受、被当作异端邪说，是因为艾萨克·牛顿的成功。这个有史以来最伟大的科学家已经非常成功地将万有引力——另一种基本力——解释成“瞬间”穿越太空的。根据牛顿的万有引力理论，太阳的引力是直接作用于地球的，在太阳和地球之间不需要传递力的介质。当然，这种“瞬间发生的超距作用”(action at a distance)的想法是荒唐的。事实上，就连牛顿自己也说：“这只是在建立可行理论时使用的一种假设而已。”不幸的是，后来的物理学家们如此拘泥于万有引力理论，以至于忽视了牛顿本人的保留意见，转而执着于超距作用的错误观念。
尽管牛顿本人的思想与法拉第的观点之间并不矛盾，但这对法拉第毫无帮助，因为科学界的其他人并不这样想。法拉第遭到了人们的嘲笑，更令他感到羞愧的是，他是一个出身卑微、自学成才的人，几乎不懂数学，而数学是受过大学教育的物理学家们的通用语言。
具有讽刺意味的是，正是因为法拉第缺乏数学知识，才使他摆脱了牛顿的束缚，或者说，至少是牛顿思想的束缚。也正是这种自由，使法拉第能够在想象中“看到”遍布太空的电场和磁场，并凭借从这种想象中获得的直觉，设计和开展别人想不到的实验。
麦克斯韦几乎是19世纪的数学物理学家中唯一认识到法拉第及其工作重要性的人。像法拉第一样，麦克斯韦也对电和磁的难题产生了一种近乎痴迷的兴趣。1854年2月，时年23岁的麦克斯韦在剑桥大学三一学院(Trinity College)完成研究生学业后，开启了研究生涯。麦克斯韦向物理学家威廉·汤姆森(William Thomson)征求建议，阅读什么书籍才能弄懂令人迷惑的电磁现象。
后来成为开尔文勋爵的汤姆森正在参与一项雄心勃勃的计划，即在大西洋海底铺设英国和美国之间的电报电缆，这相当于当时的阿波罗计划。尽管如此，他还是抽出时间向麦克斯韦推荐了法拉第于1838年出版的《电学实验研究》(Experimental Researches in Electricity)。这部三卷本的专著对已知的关于电学的所有知识进行了总结，其中大部分都是法拉第自己的发现。麦克斯韦仔细研究了书中清晰的、非数学性的陈述，觉得自己与作者产生了共鸣。作为实验者，法拉第有着极其敏锐的洞察力，在自己能够证实之前，不接受先入为主的观点。麦克斯韦深受感动，于是决定在将法拉第的著作完全读懂之前，不读任何基于超距作用观点分析电现象的著作。
麦克斯韦对法拉第电场和磁场的观点尤其感兴趣。在一个简单的演示中，法拉第将铁屑撒在一块条形磁铁周围，呈现的图案表明，在磁铁周围的确散布着磁力“线”。当法拉第推介这个观点时，其他科学家都嗤之以鼻，感觉非常可笑。但麦克斯韦反复做过这个简单的实验，他知道法拉第说的是对的。
显而易见，麦克斯韦面临的挑战是：如何用数学语言来表达法拉第的形象化描述。为此，麦克斯韦必须先依据法拉第的实验，搭建一个精巧的模型，以便为法拉第的实验赋予数学意义。这做起来并不容易。他一开始的想法是，磁场和电场看上去像流体，应该受流体流动的数学定律支配，在任何点上流动的速度和方向代表了力线的密度和方向。1857年2月，带着些许不安，麦克斯韦给法拉第寄去了一份他的研究进展的初步报告，题为《论法拉第力线》(On Faraday's Lines of Force)。尽管麦克斯韦强烈地感觉到，他和法拉第是同道中人，但他不能确定这位长者是否也有同感。
其实麦克斯韦完全不必担心，对于饱受同行奚落的法拉第来说，能收到一位剑桥大学毕业的物理学家的来信，而且如此看重他做过的实验，这是他一生中最重要的时刻之一。法拉第回信给麦克斯韦说：“起初，我真的不敢相信能借助数学来讨论这个话题，后来又惊奇地发现，这些东西竟然与数学规律吻合得那么好。”
法拉第推测，就像磁力线那样，应该也存在着引力线。在麦克斯韦来信的鼓舞下，法拉第征求麦克斯韦对引力线的意见。他知道，这个想法太奇特，势必遭到其他科学家的嘲笑。麦克斯韦很重视这个观点，给法拉第写了一封经过深思熟虑的长信。法拉第在回信中说：“你的来信给我带来了你的思维方式和习惯，这是我第一次和别人交流该主题。这将使我受益匪浅，我要反复阅读、深入思考……我要记住你的话，因为这对我来说很重要……给了我很大的安慰。”
虽然年龄的悬殊阻碍了法拉第和麦克斯韦成为最亲密的朋友，但他们相互尊崇。敢于挑战学术权威是二人拥有的共同个性，如果没有对方的支持，两人都不可能取得各自的声誉。就像法拉第一样，麦克斯韦也尝过被人羞辱的滋味。他在8岁时失去了母亲，在格伦莱尔由父亲独自抚养长大。刚到久负盛名的爱丁堡学院的第一天，麦克斯韦就因为自己的外乡口音、社交上的笨拙、自家缝制的鞋子和衣服而遭到同学们的嘲弄，他们称麦克斯韦为呆瓜。
多年来，麦克斯韦一直在努力解释法拉第的实验结果。起初，他认为磁场和电场像流体，后来他设计了一个更好的模型，这个模型赋予了磁力一个非常奇怪的特性，悍然违背了牛顿主义者们所坚信的——两个物体之间的作用力总是沿着它们之间的直线起作用。但奥斯特已经发现，磁力是环形的，当把罗盘悬挂在一根竖直载流导线旁边时，指针并不指向导线，而是与导线成直角；而且，如果绕着导线改变罗盘的位置，指针总是会转到与导线成直角的位置，磁力是环形的，像看不见的旋风一样，绕着导线打转。事实上，正是运用了这种旋风样的力，法拉第发明了世界上第一台电动机。
在麦克斯韦新的精巧模型中，所有的空间，无论是空的，还是被物质占据的，都塞满了能够旋转的微小齿轮。与磁体直接接触的齿轮转动，带动邻近的齿轮转动，邻近的齿轮又带动远处的齿轮转动，依此类推。这样，环形的磁力就穿过空间，从磁铁传到附近的金属上。
但麦克斯韦在解释自己的力学模型时，除了隐形的齿轮，他还设想了可以像轴承中的滚珠一样沿着齿轮之间的通道移动的小珠子，这些珠子代表电流。事实上，麦克斯韦在不断调整他的模型，以此来模拟更多真实世界的特征。例如，在试图重现材料内部的磁性强度取决于材料本身这一事实的过程中，麦克斯韦想到材料内部的齿轮转动的容易程度取决于材料的类型。最终，麦克斯韦让他的齿轮变得有弹性，这样就能让齿轮在物体内部传递力时不损失能量。麦克斯韦在格伦莱尔完成新模型后，才和妻子凯瑟琳返回伦敦。在模型完成的那一刻，麦克斯韦意识到一件非常重要的事情：他炮制的齿轮和珠子的介质正好可以传播波。
以池塘水面上的波纹为例。雨滴溅落引起的扰动先是在水面上形成一个临时的凸起，接下来，这个凸起在回复力(restoring force)——重力——的作用下，向池塘的水平面回落；因水有质量或称惯性，使得凸起部分的下落越过水平面，进而形成凹陷，整个过程会重复多次。当然，水是连续介质，扰动形成的振**不会一直停留在一个地方，而是会逐渐传递到附近的水面。随着时间的推移，进一步传递到更远处的水面。就这样，一种波浪式的扰动以同心圆的形式，沿着池塘的水面传播开来。
麦克斯韦的齿轮和珠子的介质既有惯性也有回复力，因此，如果这种介质受到振动，类似涟漪的扰动，就会像池塘里的波纹一样通过介质传播。实际上，这是有附带条件的。如果介质是导电的，则波无法传播出去，因为产生的电流会迅速消耗波的能量；相反，波可以通过非导电介质传播，因为这种介质不会产生电流。[3]这种介电材料包括水、空气和真空等。
麦克斯韦认识到，这种波是由相互垂直、不断振**的磁场和电场组成的，两者都垂直于波的行进方向。电场在强度上发生衰减时，衰减的电场会自动产生磁场；磁场的强度发生衰减时，衰减的磁场会自动产生电场。这个过程会一次接一次地持续下去，一旦开始，将永远在这种自我维持的电和磁的波动中进行下去。
根据麦克斯韦的理论，这种电磁波的速度只取决于两个参数：表征介质磁性能的磁导率和电性能的介电常数。前一个用来衡量介质对磁场有多大的增强作用，也就是介质的回复力；后一个用来描述介质对电场有多强的削弱能力，也就是介质的惯性。麦克斯韦知道，这两个量都可以通过真空实验测得。但整个夏天，他都被困在格伦莱尔，手头没有那本包含相关实验结果数据的参考书——那本书就在国王学院的图书馆里。所以，1862年10月的一个早上，麦克斯韦急着赶去国王学院，他甚至没有等到厨师端来早餐，就从肯辛顿大街跑去赶马车了。
伦敦的交通一直很糟糕，因此，在帕丁顿和法灵顿之间，一个全新的交通系统——伦敦地铁大都会线——正在建设中，麦克斯韦想不明白地下蒸汽火车的烟尘、蒸汽问题该怎么解决。然而伦敦是世界上从未有过的城市，地下铁路肯定不是大都市中唯一的大规模工程项目，与此同时，伦敦大都会工程委员会(Metropolitan Board of Works)的总工程师约瑟夫·巴扎尔吉特(Joseph Bazalgette)也在负责建造一个庞大的地下排水系统。
马车抵达滑铁卢桥附近时，麦克斯韦下了车。他闪避着斯特兰德大街上的行人，匆匆经过萨默塞特宫，来到国王学院。在图书馆里，麦克斯韦很快就找到了那本参考书和数据，这些数据都是德国物理学家威廉·韦伯和鲁道夫·科尔劳施在实验中得出的。把这些数据代入自己的理论，麦克斯韦得出了真空中电磁波的传播速度——193 088英里/秒(约310 745千米/秒)。
19世纪40年代末，法国物理学家希波吕特·费索(Hipppolyte Fizeau)对光速进行了实验室测量，得出的结果为每秒193 118英里(约310 793千米/秒)；麦克斯韦的计算结果与这个数值太接近了，不可能是巧合。电和磁之间不仅有联系，电、磁和光之间也有联系!这是一个麦克斯韦事先并未预料到的非凡的发现，他的计算竟然证明了光是电场和磁场中的涟漪——电磁波，这太让人兴奋了。
事实上，在此之前，另一个人已经猜到了电、磁和光之间的联系，那个人就是法拉第。1845年9月下旬，法拉第把一块硼硅酸盐铅玻璃放在磁性很强的电磁铁的南北两极之间，让一盏油灯的光穿过玻璃。一打开电源，法拉第立即观察到了光的偏振变化。[4]他兴高采烈地在笔记本上写道：“我成功地磁化了一束光。”
法拉第旋转是磁对光有影响的无可争辩的证据，这表明光本身在某种程度上是有磁性的。而且，因为磁与电是相关联的，所以光在某种程度上也必然带电，这是合乎逻辑的。“我碰巧发现了磁和光之间有直接联系，电和光之间也是如此，”法拉第很有预见性地写道，“由此开辟的领域太广阔了，内容是如此丰富多彩。”[18]
独自待在地下室的实验室里，麦克斯韦想象着法拉第听到他证实了光和磁、电和光之间有联系后的反应，忍俊不禁。他是站在巨人的肩膀上才证明了这一点的，而且没有人比法拉第更高了。回到街上，麦克斯韦几乎没有注意到皮卡迪利大街上熙熙攘攘的人群，经过格林公园时还在思考这一发现的含义，他进入海德公园，朝九曲湖(Serpentine Lake)走去。麦克斯韦答应过妻子凯瑟琳会及时回家，然后和她一起去巴塞斯特马厩。大多数下午，他们都会去骑马，麦克斯韦骑租来的马，妻子骑她那匹名叫查理的栗色矮种马，它是从格伦莱尔(Glenlair)通过火车长途运来的。二人通常绕着肯辛顿宫花园(Kensington Palace Gardens)和海德公园骑行，他们最喜欢的还是老家那段从格伦莱尔到乌尔老桥的路，但在烟雾弥漫的伦敦市中心，现在这条路已经是最好的了。
麦克斯韦觉得亏欠凯瑟琳太多，虽然在凯瑟琳身体状况不佳时，他也经常照顾她，但是就在移居伦敦之前，麦克斯韦感染了严重的天花，多亏凯瑟琳的精心照看，他才死里逃生。凯瑟琳是麦克斯韦的科学助手，两人经常在伦敦住宅的阁楼里做实验。有一次，他们用一个8英尺(约2.4米)长的暗箱借助阳光成像，但由于暗箱像一口棺材而吓坏了邻居们，他们也因此被称为“疯子”。对于32岁的麦克斯韦来说，在伦敦的这段时间是他职业生涯中成就最大的时期。
麦克斯韦沿着巨大的九曲湖旁的人行道匆匆而行。九曲湖是一个人工湖，长达1千米。18世纪20年代，英国国王乔治二世为纪念他挚爱的妻子卡罗琳皇后(Queen Caroline)而修建了它。九曲湖的南岸为1851年世博会建筑旧址，水晶宫壮丽辉煌，是19世纪的建筑奇迹之一。这是一座玻璃—钢架结构的巨大建筑，为了保留原场地中的一些高大的古树，还在设计中增加了桶状的圆顶。查尔斯·罗伯特·达尔文(Charles Robert Darwin)、夏洛特·勃朗特(Charlotte Bronte)、查尔斯·狄更斯(Charles Dickens)和阿尔弗雷德·丁尼生(Alfred Tennyson)等名人都来这里参观过。世博会后，这座水晶宫被拆解，接着迁移到伦敦南部西德纳姆的彭杰庄园重新搭建起来。世博会旧址的西南面是被世人称为“阿尔伯特城”(Albertopolis)的文化中心区。起这个名字是为了纪念女王的丈夫阿尔伯特亲王(Prince Albert)，他刚刚于1861年12月去世。阿尔伯特亲王的计划是使这次伟大的博览会以博物馆和学术机构的形式，在这个区域留下一份持久的文化遗产。麦克斯韦曾多次参观新开放的南肯辛顿博物馆。[19]
一艘渡船正从九曲湖对岸的船屋附近经过，天鹅、野鸭和海鸥在船的周围飞翔。但麦克斯韦无心欣赏这一切，他的注意力都被天空中正在迅速变得暗淡的彩虹吸引住了，彩虹与他正在思考的问题密切相关。经过皮卡迪利大街时，麦克斯韦的脑子就被一个念头占据着：齿轮—珠子模型对电磁场的变化速度并没有限制，不管振动得多快，还是多慢，都可以。这可能意味着彩虹的颜色只显示了很小的频率范围。在可见光谱(visible spectrum)两端之外，一定存在着比可见光的频率更高或更低的电磁场波动。通常人们认为彩虹有七种颜色，但是麦克斯韦意识到，除了这些颜色，一定还有肉眼看不见的数以百万计的“颜色”。这是一个非同凡响的、震撼人心的想法。
有那么一会儿，站在九曲湖畔的小路上，耳边虽充斥着海鸥的吵闹声，但麦克斯韦瞬间沉浸在法拉第式的现实场景中：他感到周围充斥着无尽的电磁场，一直延伸到已知宇宙的尽头。那些电磁场就像一片无垠的、看不见的、波涛汹涌的能量海洋，无数的电磁振动充满了所有空间。他——詹姆斯·克拉克·麦克斯韦——是人类历史上第一个意识到这一点的人。
正如英国生物学家弗朗西斯·克里克(Francis Crick)说的那样：“除非亲身经历过，否则很难描述当正确的想法猛然涌现时，那种突然顿悟的戏剧性。你马上就会发现，这个新假设巧妙地解释了许多以前令人费解的事实。现在看来这是多么不言而喻，你可能会自责为什么没有早点想到，然而在想到之前，一切都是迷雾。”[20]
麦克斯韦的脑子转得飞快。有人工制造电磁场振**的可能吗？有没有可能通过某种尚未发明的技术创造出看不见的电磁波？他看不出有什么理由不能这样做。因此，这一定是有可能的!但现在已经是傍晚，他不能再做白日梦了。麦克斯韦加快脚步，沿着蜿蜒的河岸，穿过马路，来到肯辛顿宫花园。在王宫花园8号[21](8 Palace Gardens)的前厅里，凯瑟琳已经穿戴好骑行装，等得有些不耐烦了。
1887年12月12日，德国卡尔斯鲁厄
海因里希·赫兹知道，有什么东西穿过了发射器和接收器之间的空间。根据麦克斯韦的理论，如果电磁波从发射器的断续火花中向外扩散，就像被扔进池塘的石头产生的扰动那样，电磁波应在接收器的导电回路中感应出电流，在接收器线圈的空隙中激发出新的火花。赫兹还不能完全确定正在发生的就是这种情况，但他想到了一个办法去验证。
事实上，这个方法实施起来并不容易，赫兹在助手朱利叶斯·安曼(Julius Amman)的帮助下，花了近1个月的时间才准备妥当。现在，在实验室的两扇门之间有一块高4米、宽2米的导电锌板，它牢牢地固定在砂岩墙的正面。赫兹的想法是向锌板发送信号，并尝试用接收器接收反射信号。
这个想法并不新鲜。如果一束波被反射并沿原路传播回来，入射波和反射波就会相互干涉(interference)。当其中一列波的波峰与另一列波的波峰重合时，两列波就会增强；当一个波的波峰与另一个波的波谷重合时，两列波就会相互抵消。其结果是，在某些地方，波的振幅总是很大，而在另一些地方，振幅持续为零。这种驻波(standing wave)似乎冻结在空中，在摇晃晾衣绳时很容易看到这种现象。
赫兹慢慢地把接收器移向离发射器12米远的锌板，他惊讶地发现，移动过程中，火花会周期性地增强、消失，每隔3米重复一次。这正是驻波的特征，也就是赫兹想看到的现象。在赫兹和安曼建造的发射器中，电流伴随间隙中火花的闪烁，激发的电场则以5000万次/秒的频率变化，辐射的电磁波波峰和波谷之间的距离为3米。
毫无疑问，赫兹是第一个人工制造出了麦克斯韦的不可见电磁波，并成功进行了探测的人。这些电磁波波长6米，这是电磁波完成一次全振**走过的距离。世界就此永久性地改变了。
麦克斯韦47岁时就因胃癌不幸去世，没有看到自己的预测得到证实。更令人唏嘘不已的是，麦克斯韦的母亲也是在相同的年龄死于胃癌，而且她生前经历了一次没有麻醉剂的痛苦手术。但在麦克斯韦去世之前，他将自己的电磁理论推进了关键性的一步。
当时，大多数科学家都对麦克斯韦的齿轮—珠子模型困惑不解，他自己也从未指望过有人会拿它当回事。对他来说，这个模型只不过是构建理论过程中的脚手架，并不是理论本身。1873年，麦克斯韦最终拆除了脚手架，完成了理论构建，只用数学方程来描述电场和磁场的行为。
麦克斯韦的4个电磁场方程非常著名，甚至今天仍有人把它们印在T恤衫上，还常常搭配着《圣经》中的那句：“要有光!”但实际上，麦克斯韦总共列出了20个方程来描述电和磁，并且方程中没有使用电场和磁场，而是使用了磁势和电势。1885年，英国电气工程师、物理学家奥利弗·哈维塞德(Oliver Heaviside)将这20个方程简化，从而成为现在与麦克斯韦同名的缩写形式(不过，随着20世纪物理学的发展表明，麦克斯韦的原始方程才是最有用的)。只须对麦克斯韦方程组进行简单的变换，就能得到描述电磁波的波动方程。
麦克斯韦在很小的时候就表现出强烈的好奇心，不停地问周围的成年人“这是怎么回事”，当他们给出的答案不能让他满意时，他又会问：“这到底是怎么回事呀？”最终，麦克斯韦用电磁学方程发现了电和磁是“怎么回事”。
人们无从知道麦克斯韦最终征服电、磁和光时的感觉，只能靠想象。正如爱因斯坦在征服空间、时间和引力时所说：“在黑暗中寻找真理的岁月里，人们能感觉到但无法表达的，正是那种强烈的渴望以及信心与疑虑的交替，直到突破并且领悟，才画上句号。只有亲身经历过的人才知道，那是什么样的感觉。”
麦克斯韦方程组在许多方面都是标志性的。首先，也是最重要的，麦克斯韦方程组标志着人类对经验世界的看法发生了翻天覆地的变化。从牛顿那个时候开始，物理学家们就习惯了借助日常生活中常见的事物去类比基本物理世界，这也正是麦克斯韦想用齿轮和珠子做的事。但自从放弃了这个脚手架之后，麦克斯韦便获得了对宇宙更深刻的理解，那就是构成现实的电场和磁场在人们熟悉的日常生活中根本就没有可用于类比的东西，它们的本质只能通过数学来描述，数学才是自然界的基本语言。到了20世纪，物理学家们会越来越认可这个真理，因为他们逐渐认识到，引力是四维时空的曲率，原子及其组成只能用抽象的概率波来描述。正如爱因斯坦所说：“牛顿时代结束了，麦克斯韦时代到来了。”
然而麦克斯韦的电磁学理论不仅标志着人类对终极现实的认知发生了深刻的变化，而且孕育了即将到来的几次科学革命。事实上，按照当时的理论，火炉中电磁振动的频率应该是无限的。这一明显与事实不符的结论，使得德国物理学家马克斯·普朗克(Max Planck)在1900年提出火炉中的能量必须存在能量阈值(energy cut-off)。并且，普朗克指出电磁能必须以离散的块或者说以量子的形式产生，能量特别高的那些粒子在火炉中难以产生。这标志着对原子及其组成的现代描述——量子理论——诞生了。
麦克斯韦的电磁学理论也孕育了相对论。光速在电磁学理论中是绝对的，与光源或观测者的运动无关。这一事实促使阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出，光速是构建宇宙的基石，空间和时间不过是流沙。实际上，狭义相对论揭示了时间和空间仅仅是同一事物的不同方面，空间-时间是一个统一的实体。
通过解决存在于麦克斯韦理论中的核心悖论，狭义相对论使我们对这个理论的理解更深入。比如，依照电磁学理论，运动的电荷(例如电子)会产生磁场，从而也改变了其电场。[5]然而，假如有一个人能把自己缩小到电子那么小，然后跟电子一起运动，那会怎样呢？注意，此时相对于电子，这个人是静止的，所以他看不到磁场，只能看到电场。然而磁场怎么可能对一个人存在，而对另一个人不存在呢？只有一种方法可以摆脱这个悖论。爱因斯坦对待空间和时间的方法是，把它们看成同一事物——时空——的不同方面；我们也可以采取同样的方法，将电场和磁场看成电磁场的不同方面。你可以分别看到多少电场、多少磁场，多大空间以及多长时间都取决于你的运动速度。电磁场是个统一体，光速在其中也应该是相对的。
然而，可以说，麦克斯韦电磁学理论中最重要的部分是“场”的概念。这个概念由法拉第提出，但麦克斯韦给出了数学表述。
法拉第认识到，电磁场是不同于一般物质的新实体，可以在不同地点之间传递效应。他凭直觉认为，最好把电和磁看作通过场而不是通过带电体和电流传递的。当电流在导线中流动时，最重要的不是电流本身，而是在电流附近空间中伸展的场和磁力。将场的地位提升到超越一切的高度，是法拉第最伟大、最有远见的成就。法拉第预见了物理学的未来。
以现代观点来看，各种场，不仅是电磁场，还有电子场、上夸克场、希格斯场等，才是构成宇宙的终极实体。在这幅图景中，包括电磁力在内的基本力的存在只是为了服从所谓的局域规范不变性，我将在第8章中更详细地解释这一点。值得注意的是，历经几个世纪的实验和理论研究发现的一系列令人眼花缭乱的电磁现象只不过是这个极其简洁、普遍原理的结果而已。
麦克斯韦在他的电磁学理论中把自然界的电力和磁力合二为一。普遍认为，这是继牛顿用万有引力理论统一了天地法则之后，物理学上的第二次大统一。事实上，现在一般认为麦克斯韦是牛顿时代和爱因斯坦时代之间最重要的物理学家。那些曾经在爱丁堡的学校里讥笑他的人，终其余生都会反省自己的错误，而他们的名字早已被人们遗忘了。
麦克斯韦并没有在有生之年看到他的电磁学理论的预测在赫兹的实验中得到证实。尽管麦克斯韦不幸英年早逝，但他比赫兹寿命长。赫兹患上了一种罕见的疾病——韦格纳肉芽肿(Wegener's granulomatosis，WG)，免疫系统会攻击血管，主要是攻击耳朵、鼻子、鼻窦、肾脏和肺部的血管。[22]尽管经历了几次手术和许多痛苦，赫兹还是于1894年1月1日死于败血症，当时他只有36岁。
1893年12月9日，在给父母的最后一封信中，赫兹写道：“如果有什么事情真的降临到我身上，你们也不必悲伤。相反，你们应该感到些许自豪，并把我看成被特别选中的人之一，虽然注定只能活很短的时间，但活得很有价值。”[23]赫兹不知道他的发现将会改变世界，使20世纪、21世纪的科学技术迅猛发展。当被问及他的发现有什么用时，赫兹说：“我想没什么用处。”当被多次追问时，他仍说：“一点儿用处都没有。这个实验只不过证明了麦克斯韦是正确的。”[24]
尽管赫兹未能预见到他的发现的用处，但他的发现还是不可逆转地改变了世界：收音机、电视、Wi-Fi、微波炉、雷达……由他的发现催生的技术数不胜数。其中就包括我们习以为常的超链接世界——这个空气中充斥着无数无形、无休止、纵横交错的“声音”的世界，诞生于1887年12月12日，德国卡尔斯鲁厄。
[1]自1825年以来，圣诞演讲一直鼓舞着儿童和成年人，这些讲座由迈克尔·法拉第发起。当时的年轻人缺乏有组织的教育，法拉第自己就做了19个系列讲座，建立了一种令人兴奋地向年轻人展示科学的新方式。
[2]令人惊讶的是，法拉第的父亲雅各布靠近马里波恩的铁匠铺，这个在法拉第的生活中占有重要地位的地方竟然没有牌匾。
[3]介电材料由一侧有净正电荷和另一侧有净负电荷的分子组成。通常在存在电场的情况下，正电荷将向电场方向移动，这导致分子沿着电场方向排列，这种极化分子的电场总是试图抵制和减少外电场。麦克斯韦将这种现象命名为电介质的极化，对应电荷的移动称为位移，相应的短暂电流叫位移电流。
[4]当麦克斯韦最终发现光是电磁波，振**电场与振**磁场成直角，且两者与波的运动方向成直角时，“偏振”是什么就很清楚了。对于正常光来说，电场(因此也是磁场)在任何平面上都是自由变化的。在正常光的混合波中，电场在所有可能的平面上变化。而极化光中的电场只在一个平面上振**，这个平面叫极化面。
[5]电子是电的基本粒子，是由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森(J. J. Thomson)于1897年在阴极射线(cathode rays)中发现的。与隐藏在导线中的电子不同，这种射线是由**的电子在真空管的真空中运动表征的。绕原子的原子核运行的电子不仅解释了电现象，而且解释了所有化学现象。电子的流动就像是一场抢座位的游戏。在这场游戏中，电子会在原子内重新排列它们的位置。