麦克斯韦方程组引起的危机 05

接下来的几个章节将会是我们最精彩的内容了！

其实我们有时候会很好奇为什么在中学时代就没有好好研究物理，就不能把物理成绩考好一点呢？这是因为我们的思维太过局限，我们只是“认真”的应用在牛顿经典力学定律，而没有思考这背后的故事。

你看，长大后我们才能真正感受到诗人写的诗太让人共鸣了，真是绝句！因为我们经历了、看到了、听到了、感受到了和诗人一样的故事，才会不由起敬。

然而，诗人有诗人的惆怅，科学家也有科学家的悲叹。

爱因斯坦曾说：要不是那个宇宙常数，我就不会失误对宇宙膨胀预测的问题！

不知道的是，其实我们所看到的这个世界前人已经犯了很多错误，现在我们在教育孩子经常会被灌输，诸如爱因斯坦是天才、万世之后也不可能有牛顿等类似的说法，所以当我们听了之后只能敬仰这代伟人，而不是走进他们的生活去学习！

当我们亲近他们的时候才会发现，一切伟大的成果无非都是机遇+运气+自身的努力。

好，接下来让我们正式进入今天物理世界，这一次我们将跨入天体物理的大门。

01 麦克斯韦方程组

为什么会有天体物理的区分，因为自古以来物理学家就喜欢找到这个世界的自然法则，而上期我们所说的牛顿，基本把“地上”的自然法则写成了《自然哲学之数学原理》。这已经找不到第二个理论了，再加上天上的法则也能适用于牛顿的理论。所以人们只能再往外扩展。

但是物理学为什么在我们这个时代会出现那么多千奇百怪的概念，比如，量子力学、薛定谔的猫等。

这是因为物理学的大厦是不断重建，不断修复，并不是一蹴而就的。

那到底是什么引发了对牛顿经典力学根基的动摇呢？答案是19世纪一位科学家的一份研究带来了一场革命性的改变，即麦克斯韦方程组。

这个方程组的解释如下：

（1）电荷产生电场

（2）没有磁荷

（3）变化的磁场也能产生电场

（4）电流产生磁场

而这个方程组最重要的就是（2），这个因素直接让麦克斯韦用数学理论推导出变化的电场也能产生磁场，注意这个结论仅仅是通过数学推导出来的。

好，这个时候，我们知道了两个重要的结论，即，变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场。紧接着用一个线圈做一个震荡电流，就能产生一个周期变化的磁场。这就是电磁波！而这个电磁波的第一次被制造出来也是二十多年以后的事情了。

这里我们就不用谈电磁波的重要性了，需要谈的就是麦克斯韦方程组本身有一个危机，那就是电磁波的理论速度和光速居然数值是一样的。

而这个结论的背后有一个惊天的秘密——与牛顿经典力学相悖。

02 麦克斯韦的预言

麦克斯韦由此大胆预言：光是一种电磁波！他在宣告这一结果的论文中写道：“我们将几乎肯定地认为，光是由引起电现象与磁现象的同一种介质的横波波纹组成的。”

麦克斯韦是通过一系列电磁定律推导出他的方程的。奇怪的是，他的方程与牛顿力学有冲突，麦克斯韦方程似乎只在一个惯性系中成立，这是因为，它预言电磁波的速度是每秒约30万千米。这个速度让人觉得宇宙中似乎存在一个特殊的惯性参照系，每秒约30万千米就是电磁波相对于这个惯性系的速度。在别的惯性系中，电磁波的速度会一样吗？

人们发现，在绝对空间中，即在以太的参照系中静止时，麦克斯韦的定律简单而优美，如磁力线没有端点，而在运动参照系中，它们变得复杂而丑陋，磁力线有时有端点。

不过，当参照系以远小于光速的速度在绝对空间中运动时，这种复杂对实验结果的影响是可以忽略的，也就是说，几乎所有的力线都没有端点。只有在速度接近光速时，丑陋的复杂性才会带来容易测量的大影响，会出现许多端点。为什么在其他参照系中会复杂和丑陋呢？那肯定是在什么地方出现了问题。

自从光的波动论建立以来，理论光学的最大进展就是认为光是一种电磁发现的结论，所以后来把光学问题归结为电磁学问题。但是，电磁波到底是否存在呢？如果存在的话，它是以光速运动的吗？

麦克斯韦没能活到他的预见被实验证实的那一天。他在世的时候，麦克斯韦方程默默无闻。麦克斯韦于1879年11月去世，年仅48岁，这一年爱因斯坦出生。

03 爱因斯坦的选择

在爱因斯坦看来，这些定理在一个参照系中，简单而优美，而在其他参照系中却复杂而丑陋，这是不能接受的。

麦克斯韦的电磁理论必须在所有的参照系中具有相同的性质。这就是著名的“相对性原理”。紧接着，爱因斯坦超前的意识使他直接假设光速在不同的惯性系中是一样的，这样就引发了麦克斯韦理论和牛顿理论的冲突。

解决这个冲突的唯一出路是，必须在麦克斯韦理论和牛顿理论之间做一个选择。结果，爱因斯坦凭借过人的胆识，大胆宣告牛顿的绝对时空观是错误的！也就是说，牛顿物理学的有效范围是速度远小于光速，而牛顿定律可能会在速度接近光速时崩溃。

虽然麦克斯韦把光、磁、电的所有性质统一在麦克斯韦微分方程里，但我们认为还是应把麦克斯韦纳入牛顿体系里。虽然麦克斯韦方程属于极少数没有被爱因斯坦直接创立的相对论和间接发动的量子革命所改变的理论物理学要素，他的总的思想还是属于牛顿的思想体系。

总结

我们所知道的结论背后都有很多需要挖掘的故事。记得小时候，我问我爷爷，世界上最快的是什么，爷爷打开手电筒说，光。紧接着我就问他，为什么我们把手电筒打向太空的时候却看不到光的落点呢？爷爷说：这是因为被大气分子稀释了，再加上也没有能让光落点的物体。

这是我第一次问起“光”这个问题。

对于光的速度本身，我们下一节再谈！

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