七、物理学的革命——场论

物理学中的场论思想也是起源于法拉第。1831 年，法拉第作出了他最伟大的发现——电磁感应。10 年研究的愿望一旦实现，他固然感到极度兴奋，但同时也感到了震惊。因为用当时在物理学界占绝对统治地位的牛顿力学，已经无法解释电磁感应这个新现象了。

牛顿认为，宇宙空间除了粒子以外什么也没有，而没有粒子的地方则是一无所有的真空。

“真是一无所有吗？”法拉第对牛顿的说法感到了怀疑。

直觉告诉法拉第，空间不可能真的像牛顿所说的那样，除了以超距作用相互作用着的粒子以外，什么东西也没有。比如在一根磁棒周围撒一把铁屑，铁屑就会描画出了一条条曲线。这是因为铁屑在磁棒周围被磁化，变成了无数个小磁针。它们所指示的方向就是磁棒对小磁针作用力的方向，因为各点方向不同，所以形成了曲线。法拉第把这些曲线叫做“力线”。他认为：磁棒周围的空间存在着这种从宏观无法观测到的力线。

古希腊哲学家亚里士多德等人，在讨论磁铁的磁性时就使用过“力线” 这个名称。他们用力线解释磁力，但是并不把它当做实有的东西，也没有给它下一个确切的定义。而法拉第给力线下了明确的定义，它不仅表示磁力的方向，还可以表示磁力的大小。他把力线当作实实在在的东西，用力线来思考问题、解决问题。

在实验中，法拉第使导线在两个磁极中间运动，由于电磁感应的存在，导线所形成的闭合电路中就产生了感生电流。法拉第认为：如果两个磁极间的空间真的是“一无所有”的真空，那么导线中的感生电流又是从何而来的呢？显然，空间并不“空”。两个磁极之间的空间内充满了力线；它们是实际存在，可以被切割的线。导线的运动如果切割了力线，导线所形成的闭合电路中就会有感生电流出现；切割的导线越多、速度越快，感生电流就越大；导线的运动如果不切割力线，电路中也就不会有感生电流产生。

所以，法拉第认识到，不仅磁铁周围的空间有力线，电流周围空间也存在着力线。磁铁与电流周围的力线指示磁针的受力方向，所以应叫磁力线；而充满了磁力线的空间应叫磁场。

就这样，法拉第的场论思想诞生了。他突破了牛顿力学的势框，开创了一项完全不同于以往思想的新的分支学科。牛顿认为，宇宙空间就是一无所有的真空；法拉第却认为，宇宙空间内充满了场，其中有磁力线、电力线，如果再考虑到光、热、引力⋯⋯那场的性质就更加丰富了。牛顿认为，物质只有一种形态——实物，而实物则是由无数个弹性小球式的粒子构成的；法拉第则认为，所谓的实物粒子就是力场的中心奇点。牛顿认为，空间与物质无关；法拉第却“把物质化为‘力的中心’，又把物质有运动倾向的方向性质化为‘物理上实有的力线’。”牛顿学派认为，万有引力、电力、磁力都是超距作用；法拉第则认为，这些力量以物场为中介，像波一般传递的。牛顿学派认为，有一种力的存在，就会对应着一种物质，各种力之间没有关系；法拉第却认为，各种力是统一的，电、磁、光、热、引力都相互联系，可以在场中相互作用，相互转化。

如果把苍茫的宇宙比做一场戏，那么牛顿所描述的宇宙就是一场古代戏剧，表演是在空荡荡的广场上进行的，物质在空间运动就如同演员在广场上

表演，演员与广场彼此间不发生任何关系；而法拉第所描述的宇宙却是一场近代戏剧，表演是在有背景与道具的舞台上进行的，物质在空间运动就像演员在舞台上表演，演员的各种表演要与场景的变化交相呼应、融为一体。

然而，限于当时的科技发展水平与理论水平，法拉第关于“场”的许多观念仍处在萌芽状态，带有推断、猜测的性质，以致有错误的成分。法拉第把磁力线、电力线当做实际存在的东西，这是正确的；但他没有突破机械论的框框，把力线当做机械的、有弹性的细线，如同棉线那样，这就是错误的了。他没有认识到除了实物这种实在以外，还可以有场的实在，因此完全不必把场纳入机械式的实物范畴之中。法拉第认为，力的作用是以场为中介，渐进地传递的，这是很正确的；然而他将场的现象看做一种假想的连续媒质中的应力的表现，这就不正确了。他没有看到，场与实物一样，也是有质量、能量与动量的，是和实物有同等地位的物质存在形态，而不必把场归结为某种假想的实物的应力。

在一个新理论萌芽、发展的过程中，这些缺点和错误都是在所难免的，是有待于后继者去进行改进、提高的。但是，有一点却是肯定的——法拉第要求改变物理学中的不足，要求对牛顿的经典力学加以改进。这是具有划时代意义的，是物理学史上的又一次伟大的革命。

在物理学史上，新思想、新理论不断出现。但能够称得上伟大的新思想、新理论，而且这种思想的树立必须打破传统思想的统治，却是为数不多的。法拉第关于场的思想，就是那为数不多的伟大思想之一。然而，恰恰由于它的“新”，才遭到了来自传统思想的反对及各种冷嘲热讽。

的确，法拉第关于场和力线的概念还比较粗糙，由于他没有学过高等数学，也就没有能力对这些概念进行数学的概括与分析，只能作出种种感性的描述，而无法在理论上加以进一步提高。法拉第赋予力线和场的种种神奇的性质，却没能指出严格的推导和证明。由于存在这些问题，对于牛顿学派那些受到过严格数学训练的物理学家来说是无法接受的。

由于受当时条件和能力的制约，场论的最后胜利，还要靠后来人。

首先是英国著名学者，比法拉第小 40 岁的麦克斯韦继承了法拉第开创的

事业。麦克斯韦出生于 1831 年 11 月 13 日，这恰好是在法拉第发现电磁感应后不久。他们两人的出身、所受的教育程度、特长、性格等方面是迥异的：一个来自社会最底层，一个出身名门；一个小学没有毕业，一个则是牛津大学的高材生；一个擅长实验，一个精通数学；一个善于运用直觉把握住各种现象的本质、设计合理的实验进行观察与总结；一个能够建立理论模型运用数学技能，进行证明与提高。这么多能力侧重点的不同，并没有妨碍他们物理想象上的一致性：他们都坚信场的物质性，反对牛顿的“超距”学说；他们的目标是一致的——建立一个全新的、不从属于牛顿自然哲学体系的电磁学理论。

麦克斯韦大学毕业后，就致力于电磁学的研究，他十分推崇法拉第的研究成果。当年法拉第发现的电磁感应现象可以归纳为一句话：变化的磁场能够激发电场。而反过米，变化的电场能否激发磁场呢？这个问题许多年一直得不到解决。1861 年和 1862 年，麦克斯韦发表了四篇论文，在论文中，他以充足的理论数据、严谨的推理证明，找到了问题的答案——变化的电场也能激发磁场。在 40 年前，奥斯特和安培的实验证明电流能够激发磁场，他们使用的电流，能使导线发热、能使化合物电解，这种电流叫做传导电流。而

变化的电场虽具有电流的某些性质，但是并不明显，叫做位移电流。

法拉第发现电磁感应——变化的磁场激发电场，完全是通过实验得以证实，他亲眼目睹了激发出来的电场效应；麦克斯韦提出位移电流——变化的电场激发磁场，则是依靠理论分析。这两个发现可以说是理论加实践的最佳产物，它们就如同电磁场理论的双腿，缺一不可。正是因为有了这两者，场论才最终站立起来，阔步前进了。

然而，韦克斯韦的位移电流理论没有得到准确实验的印证，所以场论还不能称为是一套完整的理论。

历史是要留给科学的继承者来写的。

1887 年的一天，在一间蒙得漆黑的实验室里，德国青年物理学家赫兹正在用实验验证麦克斯韦的电磁场理论。他在两个金属小球上接通高压交流电，“嗞——嗞——”，小球中间跳过了电火花。如果麦克斯韦的位移电流理论是正确的，那么这时就该有电磁波辐射产生。赫兹全神贯注，眼睛盯住实验室另一头的电磁波接收器——那也是用铜丝联接的两个金属小球。忽然“嗞——嗞——”，接收器的两个小球之间也跳过了一个很小的蓝色火花。能量跃过了空间，位移电流产生了，这是波！电磁波就这样诞生了。赫兹测定了电磁波的频率与波长，算出它的传播速度：每秒 30 万公里——与光速一样，这与麦克斯韦的预言相符。场论胜利了。

法拉第——麦克斯韦——赫兹，实验——理论——再实验，这是场论发展的道路，也是场论之所以成功的原因。赫兹的实验轰动了全世界，它预示着人类将获得新的技能。1901 年，意大利的马可尼与俄国的波波夫分别实现了利用电磁波进行无线电传播。无线电报、无线电广播、无线电话、电视、雷达⋯⋯数不尽的无线电技术，在人类社会蓬勃发展起来。所有这一切，都是源于法拉第的场论思想。