物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
麥克斯韋乾的這件事，可以吹好幾輩子。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感。
這件事直接導致了愛因斯坦相對論的創立。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個大事件。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對。你抓住這一點點不對，仔細追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進入奇幻世界……然後你就期待續集吧。
咱們先從尋常的物理現象說起。
1.一點電磁學
我們在生活中能接觸到的物理現象其實就那麼幾種。你搬運東西、測量一個什麼運動的速度，那是力學；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學；你家裡的一切家用電器，幾乎都來自電磁學。
電磁學並不神祕。什麼是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。
那什麼是磁呢？磁來源於電，是電荷的運動產生磁。一段導體中有電流，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個原子周圍電子的運動帶來的磁力。
而如果用物理學家的眼光理解電磁現象，你必須得掌握一個概念，叫做“場”。
兩個電荷之間發生吸引，請問這個吸引力是怎麼感覺到的呢？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這裡邊可沒有什麼“超距作用”。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”，另一個電荷不是跟這個電荷直接發生相互作用，而是跟這個電荷的電場發生相互作用 ——
物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
麥克斯韋乾的這件事，可以吹好幾輩子。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感。
這件事直接導致了愛因斯坦相對論的創立。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個大事件。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對。你抓住這一點點不對，仔細追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進入奇幻世界……然後你就期待續集吧。
咱們先從尋常的物理現象說起。
1.一點電磁學
我們在生活中能接觸到的物理現象其實就那麼幾種。你搬運東西、測量一個什麼運動的速度，那是力學；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學；你家裡的一切家用電器，幾乎都來自電磁學。
電磁學並不神祕。什麼是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。
那什麼是磁呢？磁來源於電，是電荷的運動產生磁。一段導體中有電流，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個原子周圍電子的運動帶來的磁力。
而如果用物理學家的眼光理解電磁現象，你必須得掌握一個概念，叫做“場”。
兩個電荷之間發生吸引，請問這個吸引力是怎麼感覺到的呢？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這裡邊可沒有什麼“超距作用”。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”，另一個電荷不是跟這個電荷直接發生相互作用，而是跟這個電荷的電場發生相互作用 ——
圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——
物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
麥克斯韋乾的這件事，可以吹好幾輩子。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感。
這件事直接導致了愛因斯坦相對論的創立。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個大事件。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對。你抓住這一點點不對，仔細追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進入奇幻世界……然後你就期待續集吧。
咱們先從尋常的物理現象說起。
1.一點電磁學
我們在生活中能接觸到的物理現象其實就那麼幾種。你搬運東西、測量一個什麼運動的速度，那是力學；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學；你家裡的一切家用電器，幾乎都來自電磁學。
電磁學並不神祕。什麼是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。
那什麼是磁呢？磁來源於電，是電荷的運動產生磁。一段導體中有電流，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個原子周圍電子的運動帶來的磁力。
而如果用物理學家的眼光理解電磁現象，你必須得掌握一個概念，叫做“場”。
兩個電荷之間發生吸引，請問這個吸引力是怎麼感覺到的呢？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這裡邊可沒有什麼“超距作用”。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”，另一個電荷不是跟這個電荷直接發生相互作用，而是跟這個電荷的電場發生相互作用 ——
圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——
圖片來自 electricalacademia.com
確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起，形成一個總的電磁場，然後各個帶電物質根據自己所在位置的電磁場來決定自己怎麼運動。
電磁場可不是物理學家的想象，而是客觀存在的東西，你完全可以用儀器探測出來。我記得愛因斯坦曾經有一句話說，“場，就好像我坐的這把椅子一樣真實。”當然現在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了。
好，現在麥克斯韋出場。
2.麥克斯韋的壯舉
麥克斯韋之前的物理學家已經對電磁現象做過各種研究。特別是法拉第，在實驗室裡發現，變化的磁場能夠帶來一個電流，也就是說“磁能生電”。像這些電磁現象都很有意思，你完全可以編寫一本書，列舉科學家已有的電磁學知識 —— 但是這些知識有點雜亂無章，就好像一本寫滿了各地風土人情的菜譜。
麥克斯韋要做的事情，有點像是一位好學的武林高手，博採眾家之長，融會貫通之後，創立了自己的武學。
這門學問不但是一統江湖，而且還推演出一些前人根本沒想到過的新物理來。
1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個方程，來描寫*所有的*電磁現象。這就是著名的麥克斯韋方程組，它們寫出來非常漂亮 ——
物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
麥克斯韋乾的這件事，可以吹好幾輩子。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感。
這件事直接導致了愛因斯坦相對論的創立。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個大事件。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對。你抓住這一點點不對，仔細追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進入奇幻世界……然後你就期待續集吧。
咱們先從尋常的物理現象說起。
1.一點電磁學
我們在生活中能接觸到的物理現象其實就那麼幾種。你搬運東西、測量一個什麼運動的速度，那是力學；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學；你家裡的一切家用電器，幾乎都來自電磁學。
電磁學並不神祕。什麼是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。
那什麼是磁呢？磁來源於電，是電荷的運動產生磁。一段導體中有電流，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個原子周圍電子的運動帶來的磁力。
而如果用物理學家的眼光理解電磁現象，你必須得掌握一個概念，叫做“場”。
兩個電荷之間發生吸引，請問這個吸引力是怎麼感覺到的呢？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這裡邊可沒有什麼“超距作用”。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”，另一個電荷不是跟這個電荷直接發生相互作用，而是跟這個電荷的電場發生相互作用 ——
圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——
圖片來自 electricalacademia.com
確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起，形成一個總的電磁場，然後各個帶電物質根據自己所在位置的電磁場來決定自己怎麼運動。
電磁場可不是物理學家的想象，而是客觀存在的東西，你完全可以用儀器探測出來。我記得愛因斯坦曾經有一句話說，“場，就好像我坐的這把椅子一樣真實。”當然現在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了。
好，現在麥克斯韋出場。
2.麥克斯韋的壯舉
麥克斯韋之前的物理學家已經對電磁現象做過各種研究。特別是法拉第，在實驗室裡發現，變化的磁場能夠帶來一個電流，也就是說“磁能生電”。像這些電磁現象都很有意思，你完全可以編寫一本書，列舉科學家已有的電磁學知識 —— 但是這些知識有點雜亂無章，就好像一本寫滿了各地風土人情的菜譜。
麥克斯韋要做的事情，有點像是一位好學的武林高手，博採眾家之長，融會貫通之後，創立了自己的武學。
這門學問不但是一統江湖，而且還推演出一些前人根本沒想到過的新物理來。
1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個方程，來描寫*所有的*電磁現象。這就是著名的麥克斯韋方程組，它們寫出來非常漂亮 ——
前三個方程分別說的是（1）電荷產生電場；（2）沒有磁荷；（3）變化的磁場也能產生電場。第（4）個方程右邊的第一項說的是電流產生磁場，所有這些都是當時已知的物理知識。
我們重點說說它的第二項。這一項就是麥克斯韋的獨特發現。一方面，是麥克斯韋考慮電和磁之間應該有一個對偶的關係。那既然法拉第的實驗證明變化的磁場能產生電場，變化的電場是不是也能產生磁場呢？另一方面，這一項也是讓方程組在數學上自洽、讓電荷數守恆的要求。這一項，就是說變化的電場也能產生磁場。
後來人們用實驗證明麥克斯韋是對的。但是請注意，麥克斯韋這個發現純粹是理論推導出來的！這就好比說一個偵探，聽取了各方的信息之後突然就推斷出來一個人們意想不到的結論。而麥克斯韋用的僅僅是數學。
好，現在麥克斯韋知道 ——
* 變化的磁場能產生電場
* 變化的電場又能產生磁場
那首先你就能看出來，電和磁其實在某種程度上是“一回事兒”，電場和磁場可以互相產生，就算沒有電荷，用磁場也能產生電場。
但麥克斯韋緊接著想到，如果我用線圈弄一個震盪的電流，產生一個週期變化的磁場，那麼這個週期變化磁場就能產生一個週期變化的電場，而這個週期變化的電場又能產生新的週期變化的磁場……以此類推，豈不是說這個電磁場可以一直傳播下去嗎？
這就是電磁波！二十多年以後人們真的在實驗中製造了電磁波，給後世生活帶來巨大的影響，不過麥克斯韋在意的不是電磁波的實用價值。
物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
麥克斯韋乾的這件事，可以吹好幾輩子。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感。
這件事直接導致了愛因斯坦相對論的創立。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個大事件。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對。你抓住這一點點不對，仔細追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進入奇幻世界……然後你就期待續集吧。
咱們先從尋常的物理現象說起。
1.一點電磁學
我們在生活中能接觸到的物理現象其實就那麼幾種。你搬運東西、測量一個什麼運動的速度，那是力學；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學；你家裡的一切家用電器，幾乎都來自電磁學。
電磁學並不神祕。什麼是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。
那什麼是磁呢？磁來源於電，是電荷的運動產生磁。一段導體中有電流，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個原子周圍電子的運動帶來的磁力。
而如果用物理學家的眼光理解電磁現象，你必須得掌握一個概念，叫做“場”。
兩個電荷之間發生吸引，請問這個吸引力是怎麼感覺到的呢？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這裡邊可沒有什麼“超距作用”。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”，另一個電荷不是跟這個電荷直接發生相互作用，而是跟這個電荷的電場發生相互作用 ——
圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——
圖片來自 electricalacademia.com
確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起，形成一個總的電磁場，然後各個帶電物質根據自己所在位置的電磁場來決定自己怎麼運動。
電磁場可不是物理學家的想象，而是客觀存在的東西，你完全可以用儀器探測出來。我記得愛因斯坦曾經有一句話說，“場，就好像我坐的這把椅子一樣真實。”當然現在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了。
好，現在麥克斯韋出場。
2.麥克斯韋的壯舉
麥克斯韋之前的物理學家已經對電磁現象做過各種研究。特別是法拉第，在實驗室裡發現，變化的磁場能夠帶來一個電流，也就是說“磁能生電”。像這些電磁現象都很有意思，你完全可以編寫一本書，列舉科學家已有的電磁學知識 —— 但是這些知識有點雜亂無章，就好像一本寫滿了各地風土人情的菜譜。
麥克斯韋要做的事情，有點像是一位好學的武林高手，博採眾家之長，融會貫通之後，創立了自己的武學。
這門學問不但是一統江湖，而且還推演出一些前人根本沒想到過的新物理來。
1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個方程，來描寫*所有的*電磁現象。這就是著名的麥克斯韋方程組，它們寫出來非常漂亮 ——
前三個方程分別說的是（1）電荷產生電場；（2）沒有磁荷；（3）變化的磁場也能產生電場。第（4）個方程右邊的第一項說的是電流產生磁場，所有這些都是當時已知的物理知識。
我們重點說說它的第二項。這一項就是麥克斯韋的獨特發現。一方面，是麥克斯韋考慮電和磁之間應該有一個對偶的關係。那既然法拉第的實驗證明變化的磁場能產生電場，變化的電場是不是也能產生磁場呢？另一方面，這一項也是讓方程組在數學上自洽、讓電荷數守恆的要求。這一項，就是說變化的電場也能產生磁場。
後來人們用實驗證明麥克斯韋是對的。但是請注意，麥克斯韋這個發現純粹是理論推導出來的！這就好比說一個偵探，聽取了各方的信息之後突然就推斷出來一個人們意想不到的結論。而麥克斯韋用的僅僅是數學。
好，現在麥克斯韋知道 ——
* 變化的磁場能產生電場
* 變化的電場又能產生磁場
那首先你就能看出來，電和磁其實在某種程度上是“一回事兒”，電場和磁場可以互相產生，就算沒有電荷，用磁場也能產生電場。
但麥克斯韋緊接著想到，如果我用線圈弄一個震盪的電流，產生一個週期變化的磁場，那麼這個週期變化磁場就能產生一個週期變化的電場，而這個週期變化的電場又能產生新的週期變化的磁場……以此類推，豈不是說這個電磁場可以一直傳播下去嗎？
這就是電磁波！二十多年以後人們真的在實驗中製造了電磁波，給後世生活帶來巨大的影響，不過麥克斯韋在意的不是電磁波的實用價值。
圖片來自 http://toutiao.sanhao.com/news-detail-23997.html
麥克斯韋可以用他的方程組直接計算這個電磁波的傳播速度。他算出來電磁波速度，發現跟光速，它們的數值是一樣的！
光是有速度的。你打開一盞燈，光線不會瞬間傳播到宇宙的另一頭去。當時的人已經在實驗中測量了光速。而且早在1801年人們就已經知道光是一種波。但是人們並不知道光到底是怎麼回事。
而現在麥克斯韋計算得出的電磁波的速度正好是光速，於是麥克斯韋大膽宣稱，光，其實就是電磁波。後來人們證實果然是這樣，我們平時所見的可見光無非就是特定頻率的電磁波而已。
這是物理學家再一次看破了紅塵。天上的東西和地上是一回事兒，勻速直線運動和靜止是一回事，電和磁是一回事兒，而現在麥克斯韋說，光跟電磁場，其實也是一回事兒。
這麼一來，物理學的邏輯結構就變得更簡單了。牛頓力學加上麥克斯韋電磁學，身邊的一切物理現象等於是都被理解了。這絕對是英雄的壯舉。
但是這個成就裡邊有一個危機。
3.危機
咱們先捋一捋麥克斯韋的發現 ——
1. 他用四個方程概括了所有電磁現象；
2. 他發現變化的電磁場可以互相產生，從而推導出電磁波；
3. 他計算出電磁波的速度正好是光速，從而說明光其實就是電磁波。
現在我們知道了，光速，是電磁現象所要求的結果，是可以用數學計算出來的。
那好。請問，你麥克斯韋計算出來的這個光速，是*相對於*誰的呢？
從邏輯角度，你不能脫離座標系（或者叫“參照系”）談速度。
比如說，你站在一艘快速行駛的船上，船的速度是每小時50公里。你在船上射出去一支箭，你平時射箭的速度是每小時100公里，那這個“每小時100公里”就是相對於船上的你來說的。
而相對於站在岸邊的我來說，箭的速度就應該是每小時 50+100 = 150公里，對吧？速度都是相對的。
那麥克斯韋方程組解出來的光速是相對於誰呢？這個問題可以有兩種答案。
老百姓的直覺是，光速肯定是相對於光源的。你打開手電筒射出去一束光，那這個光速肯定是相對於手電筒啊 —— 但是這個說法很快就被物理學家給否定了。
宇宙中有一種“雙星系統”，就是兩個臨近的恆星互相繞著對方旋轉，誰也離不開誰。從我們這裡觀察，就總有一顆恆星在向著我們運動，另外一個恆星向著我們相反的方向運動 ——
物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
麥克斯韋乾的這件事，可以吹好幾輩子。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感。
這件事直接導致了愛因斯坦相對論的創立。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個大事件。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對。你抓住這一點點不對，仔細追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進入奇幻世界……然後你就期待續集吧。
咱們先從尋常的物理現象說起。
1.一點電磁學
我們在生活中能接觸到的物理現象其實就那麼幾種。你搬運東西、測量一個什麼運動的速度，那是力學；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學；你家裡的一切家用電器，幾乎都來自電磁學。
電磁學並不神祕。什麼是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。
那什麼是磁呢？磁來源於電，是電荷的運動產生磁。一段導體中有電流，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個原子周圍電子的運動帶來的磁力。
而如果用物理學家的眼光理解電磁現象，你必須得掌握一個概念，叫做“場”。
兩個電荷之間發生吸引，請問這個吸引力是怎麼感覺到的呢？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這裡邊可沒有什麼“超距作用”。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”，另一個電荷不是跟這個電荷直接發生相互作用，而是跟這個電荷的電場發生相互作用 ——
圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——
圖片來自 electricalacademia.com
確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起，形成一個總的電磁場，然後各個帶電物質根據自己所在位置的電磁場來決定自己怎麼運動。
電磁場可不是物理學家的想象，而是客觀存在的東西，你完全可以用儀器探測出來。我記得愛因斯坦曾經有一句話說，“場，就好像我坐的這把椅子一樣真實。”當然現在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了。
好，現在麥克斯韋出場。
2.麥克斯韋的壯舉
麥克斯韋之前的物理學家已經對電磁現象做過各種研究。特別是法拉第，在實驗室裡發現，變化的磁場能夠帶來一個電流，也就是說“磁能生電”。像這些電磁現象都很有意思，你完全可以編寫一本書，列舉科學家已有的電磁學知識 —— 但是這些知識有點雜亂無章，就好像一本寫滿了各地風土人情的菜譜。
麥克斯韋要做的事情，有點像是一位好學的武林高手，博採眾家之長，融會貫通之後，創立了自己的武學。
這門學問不但是一統江湖，而且還推演出一些前人根本沒想到過的新物理來。
1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個方程，來描寫*所有的*電磁現象。這就是著名的麥克斯韋方程組，它們寫出來非常漂亮 ——
前三個方程分別說的是（1）電荷產生電場；（2）沒有磁荷；（3）變化的磁場也能產生電場。第（4）個方程右邊的第一項說的是電流產生磁場，所有這些都是當時已知的物理知識。
我們重點說說它的第二項。這一項就是麥克斯韋的獨特發現。一方面，是麥克斯韋考慮電和磁之間應該有一個對偶的關係。那既然法拉第的實驗證明變化的磁場能產生電場，變化的電場是不是也能產生磁場呢？另一方面，這一項也是讓方程組在數學上自洽、讓電荷數守恆的要求。這一項，就是說變化的電場也能產生磁場。
後來人們用實驗證明麥克斯韋是對的。但是請注意，麥克斯韋這個發現純粹是理論推導出來的！這就好比說一個偵探，聽取了各方的信息之後突然就推斷出來一個人們意想不到的結論。而麥克斯韋用的僅僅是數學。
好，現在麥克斯韋知道 ——
* 變化的磁場能產生電場
* 變化的電場又能產生磁場
那首先你就能看出來，電和磁其實在某種程度上是“一回事兒”，電場和磁場可以互相產生，就算沒有電荷，用磁場也能產生電場。
但麥克斯韋緊接著想到，如果我用線圈弄一個震盪的電流，產生一個週期變化的磁場，那麼這個週期變化磁場就能產生一個週期變化的電場，而這個週期變化的電場又能產生新的週期變化的磁場……以此類推，豈不是說這個電磁場可以一直傳播下去嗎？
這就是電磁波！二十多年以後人們真的在實驗中製造了電磁波，給後世生活帶來巨大的影響，不過麥克斯韋在意的不是電磁波的實用價值。
圖片來自 http://toutiao.sanhao.com/news-detail-23997.html
麥克斯韋可以用他的方程組直接計算這個電磁波的傳播速度。他算出來電磁波速度，發現跟光速，它們的數值是一樣的！
光是有速度的。你打開一盞燈，光線不會瞬間傳播到宇宙的另一頭去。當時的人已經在實驗中測量了光速。而且早在1801年人們就已經知道光是一種波。但是人們並不知道光到底是怎麼回事。
而現在麥克斯韋計算得出的電磁波的速度正好是光速，於是麥克斯韋大膽宣稱，光，其實就是電磁波。後來人們證實果然是這樣，我們平時所見的可見光無非就是特定頻率的電磁波而已。
這是物理學家再一次看破了紅塵。天上的東西和地上是一回事兒，勻速直線運動和靜止是一回事，電和磁是一回事兒，而現在麥克斯韋說，光跟電磁場，其實也是一回事兒。
這麼一來，物理學的邏輯結構就變得更簡單了。牛頓力學加上麥克斯韋電磁學，身邊的一切物理現象等於是都被理解了。這絕對是英雄的壯舉。
但是這個成就裡邊有一個危機。
3.危機
咱們先捋一捋麥克斯韋的發現 ——
1. 他用四個方程概括了所有電磁現象；
2. 他發現變化的電磁場可以互相產生，從而推導出電磁波；
3. 他計算出電磁波的速度正好是光速，從而說明光其實就是電磁波。
現在我們知道了，光速，是電磁現象所要求的結果，是可以用數學計算出來的。
那好。請問，你麥克斯韋計算出來的這個光速，是*相對於*誰的呢？
從邏輯角度，你不能脫離座標系（或者叫“參照系”）談速度。
比如說，你站在一艘快速行駛的船上，船的速度是每小時50公里。你在船上射出去一支箭，你平時射箭的速度是每小時100公里，那這個“每小時100公里”就是相對於船上的你來說的。
而相對於站在岸邊的我來說，箭的速度就應該是每小時 50+100 = 150公里，對吧？速度都是相對的。
那麥克斯韋方程組解出來的光速是相對於誰呢？這個問題可以有兩種答案。
老百姓的直覺是，光速肯定是相對於光源的。你打開手電筒射出去一束光，那這個光速肯定是相對於手電筒啊 —— 但是這個說法很快就被物理學家給否定了。
宇宙中有一種“雙星系統”，就是兩個臨近的恆星互相繞著對方旋轉，誰也離不開誰。從我們這裡觀察，就總有一顆恆星在向著我們運動，另外一個恆星向著我們相反的方向運動 ——
兩顆中子星的雙星系統，圖片來自 https://gfycat.com/gifs/detail/crazywarmaruanas
如果光速是相對於光源的速度，那麼向我們走的這個恆星的光速就應該更快一點，離我們而去的恆星的光速應該更慢一點 ——
物理學這個學科的一個特點是有太多的英雄人物。如果你不理解他們都幹了什麼，對物理學家保持不明覺厲、敬而遠之的態度，你完全可以踏踏實實地過好這一生。可是如果你一旦真正理解了這些英雄做的事兒，你可能就再也不願意老老實實地享受歲月靜好了。你可能會“一見楊過誤終生”。
在講愛因斯坦的豐功偉業之前，咱們先說另外一個英雄，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋。麥克斯韋統一了電磁學。這個工作有多了不起呢？費曼是這麼說的 ——
“從人類歷史的長遠觀點來看……幾乎無疑的是，麥克斯韋發現電動力學定律將被判定為19世紀最重要的事件。與這一重要科學事件相比，發生於同一個10年中的美國內戰，將褪色而成為只有區域性的意義。”
麥克斯韋乾的這件事，可以吹好幾輩子。今天我把這個事兒給你講一講，我都感覺與有榮焉。你如果能把這個工作給聽懂，你也會有一種自豪感。
這件事直接導致了愛因斯坦相對論的創立。整個過程好像是一個奇幻電影。一開始大家本來過著尋常的日子，突然就有人弄了個大事件。因為這個大事件，人們就意識到這個世界有點不太對。你抓住這一點點不對，仔細追究下去，你就打開一扇大門。這扇大門一打開，尋常的日子就不存在了，影片從此進入奇幻世界……然後你就期待續集吧。
咱們先從尋常的物理現象說起。
1.一點電磁學
我們在生活中能接觸到的物理現象其實就那麼幾種。你搬運東西、測量一個什麼運動的速度，那是力學；你能看到周圍的事物，欣賞各種顏色，那是光學；你家裡的一切家用電器，幾乎都來自電磁學。
電磁學並不神祕。什麼是電呢？電就是電荷之間的相互作用。電子帶負電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個吸引力，而兩個電子或者兩個離子之間就有一個排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。
那什麼是磁呢？磁來源於電，是電荷的運動產生磁。一段導體中有電流，它周圍就會有磁性。像我們平時看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個原子周圍電子的運動帶來的磁力。
而如果用物理學家的眼光理解電磁現象，你必須得掌握一個概念，叫做“場”。
兩個電荷之間發生吸引，請問這個吸引力是怎麼感覺到的呢？難道一個電荷*隔空*就能感到另一個電荷的存在嗎？這裡邊可沒有什麼“超距作用”。每個電荷都會在自己的周圍形成一個“電場”，另一個電荷不是跟這個電荷直接發生相互作用，而是跟這個電荷的電場發生相互作用 ——
圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——
圖片來自 electricalacademia.com
確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起，形成一個總的電磁場，然後各個帶電物質根據自己所在位置的電磁場來決定自己怎麼運動。
電磁場可不是物理學家的想象，而是客觀存在的東西，你完全可以用儀器探測出來。我記得愛因斯坦曾經有一句話說，“場，就好像我坐的這把椅子一樣真實。”當然現在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了。
好，現在麥克斯韋出場。
2.麥克斯韋的壯舉
麥克斯韋之前的物理學家已經對電磁現象做過各種研究。特別是法拉第，在實驗室裡發現，變化的磁場能夠帶來一個電流，也就是說“磁能生電”。像這些電磁現象都很有意思，你完全可以編寫一本書，列舉科學家已有的電磁學知識 —— 但是這些知識有點雜亂無章，就好像一本寫滿了各地風土人情的菜譜。
麥克斯韋要做的事情，有點像是一位好學的武林高手，博採眾家之長，融會貫通之後，創立了自己的武學。
這門學問不但是一統江湖，而且還推演出一些前人根本沒想到過的新物理來。
1860年代初期，麥克斯韋提出一組總共四個方程，來描寫*所有的*電磁現象。這就是著名的麥克斯韋方程組，它們寫出來非常漂亮 ——
前三個方程分別說的是（1）電荷產生電場；（2）沒有磁荷；（3）變化的磁場也能產生電場。第（4）個方程右邊的第一項說的是電流產生磁場，所有這些都是當時已知的物理知識。
我們重點說說它的第二項。這一項就是麥克斯韋的獨特發現。一方面，是麥克斯韋考慮電和磁之間應該有一個對偶的關係。那既然法拉第的實驗證明變化的磁場能產生電場，變化的電場是不是也能產生磁場呢？另一方面，這一項也是讓方程組在數學上自洽、讓電荷數守恆的要求。這一項，就是說變化的電場也能產生磁場。
後來人們用實驗證明麥克斯韋是對的。但是請注意，麥克斯韋這個發現純粹是理論推導出來的！這就好比說一個偵探，聽取了各方的信息之後突然就推斷出來一個人們意想不到的結論。而麥克斯韋用的僅僅是數學。
好，現在麥克斯韋知道 ——
* 變化的磁場能產生電場
* 變化的電場又能產生磁場
那首先你就能看出來，電和磁其實在某種程度上是“一回事兒”，電場和磁場可以互相產生，就算沒有電荷，用磁場也能產生電場。
但麥克斯韋緊接著想到，如果我用線圈弄一個震盪的電流，產生一個週期變化的磁場，那麼這個週期變化磁場就能產生一個週期變化的電場，而這個週期變化的電場又能產生新的週期變化的磁場……以此類推，豈不是說這個電磁場可以一直傳播下去嗎？
這就是電磁波！二十多年以後人們真的在實驗中製造了電磁波，給後世生活帶來巨大的影響，不過麥克斯韋在意的不是電磁波的實用價值。
圖片來自 http://toutiao.sanhao.com/news-detail-23997.html
麥克斯韋可以用他的方程組直接計算這個電磁波的傳播速度。他算出來電磁波速度，發現跟光速，它們的數值是一樣的！
光是有速度的。你打開一盞燈，光線不會瞬間傳播到宇宙的另一頭去。當時的人已經在實驗中測量了光速。而且早在1801年人們就已經知道光是一種波。但是人們並不知道光到底是怎麼回事。
而現在麥克斯韋計算得出的電磁波的速度正好是光速，於是麥克斯韋大膽宣稱，光，其實就是電磁波。後來人們證實果然是這樣，我們平時所見的可見光無非就是特定頻率的電磁波而已。
這是物理學家再一次看破了紅塵。天上的東西和地上是一回事兒，勻速直線運動和靜止是一回事，電和磁是一回事兒，而現在麥克斯韋說，光跟電磁場，其實也是一回事兒。
這麼一來，物理學的邏輯結構就變得更簡單了。牛頓力學加上麥克斯韋電磁學，身邊的一切物理現象等於是都被理解了。這絕對是英雄的壯舉。
但是這個成就裡邊有一個危機。
3.危機
咱們先捋一捋麥克斯韋的發現 ——
1. 他用四個方程概括了所有電磁現象；
2. 他發現變化的電磁場可以互相產生，從而推導出電磁波；
3. 他計算出電磁波的速度正好是光速，從而說明光其實就是電磁波。
現在我們知道了，光速，是電磁現象所要求的結果，是可以用數學計算出來的。
那好。請問，你麥克斯韋計算出來的這個光速，是*相對於*誰的呢？
從邏輯角度，你不能脫離座標系（或者叫“參照系”）談速度。
比如說，你站在一艘快速行駛的船上，船的速度是每小時50公里。你在船上射出去一支箭，你平時射箭的速度是每小時100公里，那這個“每小時100公里”就是相對於船上的你來說的。
而相對於站在岸邊的我來說，箭的速度就應該是每小時 50+100 = 150公里，對吧？速度都是相對的。
那麥克斯韋方程組解出來的光速是相對於誰呢？這個問題可以有兩種答案。
老百姓的直覺是，光速肯定是相對於光源的。你打開手電筒射出去一束光，那這個光速肯定是相對於手電筒啊 —— 但是這個說法很快就被物理學家給否定了。
宇宙中有一種“雙星系統”，就是兩個臨近的恆星互相繞著對方旋轉，誰也離不開誰。從我們這裡觀察，就總有一顆恆星在向著我們運動，另外一個恆星向著我們相反的方向運動 ——
兩顆中子星的雙星系統，圖片來自 https://gfycat.com/gifs/detail/crazywarmaruanas
如果光速是相對於光源的速度，那麼向我們走的這個恆星的光速就應該更快一點，離我們而去的恆星的光速應該更慢一點 ——
圖片來自 https://skeptics.stackexchange.com/questions/9712/evidence-for-the-absolute-speed-of-light
這個速度差異並不大，但是因為雙星距離我們十分遙遠，星光到達我們需要的時間就很長，這一點點速度差異就足以讓我們觀察到兩顆星的星光有一個延遲。
可是天文學家觀測了各種雙星系統，從來都沒有看到任何延遲。兩個恆星的光速始終都是一樣的！
這說明光速跟光源的速度無關。物理學家對此並不感到驚訝，因為電磁波本來就是脫離最早產生它的電荷和電流而獨立存在。波，畢竟不是射出去的箭。
物理學家設想，光其實是遍佈宇宙空間的某種介質的波動，而光速就是相對於這個介質的速度……可是當時的人萬萬沒想到，這個解釋的問題更大。
咱們下一講再說。