驚人的發現-光與電磁波

---接上期---

麥克斯韋認為電和磁是同一種物質的不同表現形式，它們之間的性質和相互作用力被麥克斯韋用一組簡潔優美的方程組所描述，這個方程組叫做麥克斯韋方程組。你只要隨便翻看一本講物理學或者科學史的書，基本上都會提到麥克斯韋方程組是數學美的典範，無數大科學家都被它的美所震撼，單從它的表現形式之美來說，它就不可能是錯誤的（事實上直到今天，所有經典物理學中的公式除了麥氏方程組以外，都被相對論所修正。唯獨麥氏方程組仍然保留著他那簡潔優美的形式，似乎添加任何一筆都是多餘的）。不過，我不需要在這本書中把這個方程組寫下來，我和各位讀者一樣也是電磁學門外漢，無法體會它的美，如果讀者當中恰好有這麼一兩個懂行的話，我也相信麥氏方程組已經深深的印在了他們的頭腦中，也不需要我再抄出來。

根據這一套優美的方程組，麥克斯韋預言了一種神奇的叫做電磁波的東西，麥克斯韋說：「隨著時間變化的電場產生了磁場，反之亦然。因此，一個振蕩中的電場能夠產生振蕩的磁場，而一個振蕩中的磁場又能夠產生振蕩的電場，這樣子，這些連續不斷同相振蕩的電場和磁場循環往複，永不停歇，就像一粒石子扔入湖中產生的漣漪，電磁場的變化也會像水波一樣向四面八方擴散出去，這個擴散出去的電磁場我把它叫做——電磁波。雖然我現在還無法用實驗的方法證明它的存在，但我堅信它一定存在。」很遺憾，天才麥克斯韋只活到48歲就死了，到死也沒能親眼見證電磁波的誕生。他死後沒過幾年，一位德國的青年物理學家赫茲（Hertz1857-1894）接過了麥克斯韋的衣缽，終於在1888年，赫茲在實驗室里發現了人們懷疑和期待已久的電磁波。

赫茲的實驗公布後，轟動了全世界的物理學家，大家紛紛效仿此實驗，所有的實驗結果都證明了麥克斯韋電磁理論是正確的，麥克斯韋方程組取得了決定性的勝利，麥克斯韋的偉大遺願也終於得以實現。既然電磁波是一個波，那麼他的傳播速度就可以用頻率乘以波長算出來，頻率很好辦，是由實驗設備的各種參數決定的，而波長也不難測，只要拿著一個感應器找到波峰（感應電流最強）和波谷（感應電流最弱）即可算出波長，赫茲沒有費多大勁就拿到了波長和頻率，他把兩個數值一乘，得出了電磁波的傳播速度是31.5萬公里/秒（限於實驗精度，和真實的速度有誤差），一個驚人的速度。

等等，等等，我相信你和赫茲一樣，看到這個數字突然覺得很熟悉，這個數字好像在哪裡見過，31.5萬公里每秒，31.5萬，啊！這個數字不正是菲索旋轉齒輪法測出的光速嗎？難道天下竟有如此的巧合，這真是一個巧合呢還是說，還是說……光就是一種電磁波？赫茲被這個想法弄得興奮不已。不光是赫茲，全世界還有很多的物理學家都因為這兩個數字在猜測光是不是就是一種電磁波。正所謂眾人拾柴火焰高，很快，大量的實驗數據接踵而至，各種電磁波和光的相同特性被發現，科學界很快就達成一致意見：沒錯，光就是一種電磁波。

現在我們再從電磁波的角度來研究一下光的傳播速度到底是相對於什麼而言的，波的傳播速度等於介質震動的頻率乘以波長，因而這個速度是相對於介質而言的。比如我們熟悉的水波，當一顆石子扔到水中產生漣漪的時候，這些漣漪在產生的瞬間也就脫離了跟石子的聯繫，他們會在水中按照相對於水的恆定速度傳播出去，因而我們在講水波的傳播速度的時候，隱含的參考系是水而不是那顆石子。同理，當我們談論光的速度的時候，那麼根據前面這種思想，隱含的參考系也不應該是光源，而是光的傳播介質，但眾所周知光是一種能夠在真空中傳播的東西，遙遠的星光穿過空無一物的宇宙空間到達我們的眼睛裡面，那麼這個參考系、這個介質到底是什麼？

那不就是牛頓所說的絕對空間和以太（注意，以太這個詞並不是牛頓發明的，牛頓是以太學說的主要支持者）嗎？牛頓的絕對時空觀在統治了物理學界200年後達到了頂峰，偉大的艾薩克·牛頓爵士，您的光芒無人能檔，您為物理學構建起了雄偉的大廈。現在，就差最後一個能證明以太存在的實驗來為這座雄偉的大廈砌上最後一塊磚。但俗話說盛極必衰，物極必反，人往往是在最得意的時候忘了看腳下的路而跌倒。

既然已經知道了光相對於以太的傳播速度是30萬公里每秒，那麼光速就成為了能證明以太存在的最佳證人，關鍵是要說服它出庭作證。我們看看讓光速出庭作證的這個實驗是怎麼構想的：我們的地球以每秒30公里的速度繞太陽公轉，在宇宙空間中飛行，換句話說，我們的地球在以太中高速地飛行，如果把我們的地球想像成一艘大船，我們站在船頭，就會迎面吹來強勁的「以太風」，那麼通過伽利略變換和速度合成公式，我們很容易得出光在「順風」和「逆風」中的傳播速度，這兩個速度顯然會不一樣，至少要相差30公里每秒。我們只要能用實驗證明以上猜想，那麼就確定無疑地證明了以太的存在，物理學界舉杯同慶，新世紀就要到來了，這個實驗無疑將是獻給新世紀最好的一份厚禮。具體的實驗設計眾望所歸，落到了兩位實驗物理學的泰山北斗級人物身上，他們就是麥克爾遜（Michelson 1852~1931）和莫雷（Morley 1838~1923），這二位也的確是當仁不讓的人選，尤其是麥克爾遜，此人一生痴迷於光速的測量。

---未完待續---

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