整个电力工业就发端于这个简简单单的实验室玩具。
——皮尔斯·威廉姆斯（1965） [1]
在富兰克林和瓦特拉开了帷幕之后，雄心勃勃的迈克尔·法拉第又登上了电力发展史的舞台。他的科学实验在人类了解电与磁之间的联系上发挥了非常重要的作用，电与磁是自然界中最重要的两种力量。而且，法拉第还为新兴的电力工业提供了两项基本技术：1821年，他发明了第一台电动机；10年后，他又发明了第一台发电机。 [2]
在职业生涯后期，法拉第又取得了一项伟大成就，奠定了现代电磁波理论的基础。至今，电磁场理论仍然在现代科学中占据核心地位，是大量现代通信技术的基础。如果说富兰克林是一位目光如炬、能见人所未见的天才，那么法拉第也是一位天才，因为他发现你我之间似乎空无一物的空间中并非空无一物，而是充斥着电磁波。
然而，法拉第既没有得到像本杰明·富兰克林那样持久不衰的显赫名声，也没有像詹姆斯·瓦特那样对科学技术产生即时影响。不可否认，他在科学研究上取得了革命性突破，但是在科学史上，他却是一位没有及时受到认可的英雄。因此，有两位传记作者认为有必要赋予法拉第应有的声誉。1965年，皮尔斯·威廉姆斯（Pearce Williams）说，他希望“全面展示法拉第的天赋，并在科学史上找到他的准确定位”。在威廉姆斯之后，詹姆斯·汉密尔顿（James Hamilton）在他于2002年完成的法拉第传记中说，他迫切希望“人们以一种全新的方式看待法拉第，明确他在西方文化史中的核心地位”。 [3]
人们普遍认为，科学与宗教之间曾有过旷日持久的争论战。在这样的历史背景之下，法拉第独树一帜，把他对上帝的深刻信仰与他对科学的坚定信念结合起来，成为一个整体。与此同时，法拉第与詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的工作关系成了另一个亮点。麦克斯韦充满敬意地接受了法拉第关于电和磁之间关系的思想，并为其赋予了数学的严谨性和想象力，从而使物理学发生了翻天覆地的变化。麦克斯韦方程组是人类最伟大的科学进步之一。
陌生人的善意
和富兰克林一样，法拉第从小也接受了成为印刷匠的培训。1804年，13岁的法拉第成了伦敦乔治·里鲍（George Riebau）书店的学徒，这段经历对他产生了深远的影响。它给了法拉第阅读的机会，后来又让他有机会接触一些当时最重要的科学家。法拉第跟富兰克林一样，利用工作之便，阅读了大量书籍。在装订《不列颠百科全书》（Encyclopaedia Britannica ）时，法拉第阅读了詹姆斯·泰勒（James Tytler）撰写的一篇介绍电的文章。这篇文章长达127页，主要参考了约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）于1767年出版的《电的历史与现状》（The History and Present State of Electricity ）一书。不过，普里斯特利在这本轰动一时的著作中只介绍了他自己对电学的认识，而泰勒的文章则突破了这一限制。 [4]
泰勒没有接受富兰克林认为电是一种流体的观点，而是把电看作一种“振动”，就像“石头被扔进池塘后激起的涟漪一样”。泰勒推崇自然力统一的理念，认为光、热和电“在本质上并无不同”。法拉第第一次阅读泰勒的文章时，并不完全相信泰勒的这套理论，但后来法拉第却在他的研究中大量引用泰勒的理论，令人匪夷所思。在泰勒这篇文章的启发之下，法拉第决定开始做他的第一个实验。尽管法拉第需要的“实验设备”不过是两只瓶子，他也买不起。直到后来瓶子降价，他才得偿所愿。 [5]
1810年，法拉第的父亲去世了。从此以后，里鲍就扮演起法拉第父亲的角色。当时，科学家们经常做公开讲座。在里鲍的鼓励之下，法拉第开始参加这些讲座。他听的第一个讲座的主讲人名叫约翰·塔图姆（John Tatum），他是一位老师、哲学家、银匠。他的演讲主题比较广泛，涵盖电学、光学、地质学、实验力学、天文学和化学等。 [6]
法拉第认真地思考这些讲座的内容，不断增加自己的科学知识储备。在塔图姆的讲座上，法拉第做了详细的笔记，回家后他会重新整理这些笔记，加深理解。塔图姆的讲座不仅给法拉第提供了基础性科学教育，还给了他一个难得的机会。里鲍向一位熟人展示了法拉第做的讲座笔记，这位熟人看完之后深受触动，就给了法拉第一张伦敦城里最抢手的门票。拿着这张票，法拉第可以去英国皇家学院听当时最受欢迎的英国科学家汉弗莱·戴维（Humphry Davy）授业解惑。 [7]
“欧洲大学”之行
戴维的讲座对法拉第的影响非常大。戴维是一位化学家，因为用电解法析出金属元素而闻名，拿破仑还为戴维颁发了一枚法国科学奖章，以表彰他的突出成就。1800年，一些化学家和电学专业的学生运用一种强大的新工具，获得了稳定的电力。这个工具被称为“伏特电堆”，它是电池的雏形，但在当时已经是功能强大的电源了。伏特电池的发明始于1794年。当时，意大利生物学家路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）正在做一组实验，希望了解电对动物会产生哪些影响，结果却发现了一种新的电源形式。他注意到，当钢质解剖刀接触到用来固定青蛙腿的铜质装置时，青蛙的腿竟然抽搐了一下。他认为青蛙腿之所以抽搐，是因为青蛙的体内带电，他称为“动物电”。 [8]
虽然亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）对伽伐尼的实验表示赞赏，但是对于青蛙腿抽搐的原因，他却给出了截然不同的解释。伏特通过一系列的实验证明，这些电实际上是由两种不同金属的接触而产生的，也就是说这些金属是“活性”电源。伏特把不同金属制成的金属板叠放在一起，然后在金属板之间放置潮湿导体，从而发明了伏特电堆。伏特电堆的理论基础是伏特提出的“接触学说”，即“不同的材料相互接触时，一种材料会带正电荷，另一种带负电荷”。伏特发明的这个装置可以产生正负电荷的流动，不仅为电学研究提供了效果非常好的电源，也大大促进了电化学的发展。 [9]
在聆听戴维的讲座时，法拉第同样记录了大量的笔记，这些笔记也再次立功，帮助他赢得了认可。法拉第把自己的讲座笔记交给戴维，这个大胆的举动很快就有了效果：戴维雇用他做英国皇家学会的实验室助理。虽然这只是一个不起眼的职位，但它给了法拉第在各种各样的实验中与戴维合作的机会。戴维让法拉第陪他前往法国，去领取科学奖章。法拉第欣然同意，但事实表明，这次法国之旅让法拉第吃尽苦头。在出发前的一刻，戴维的男仆突然打了退堂鼓。这样一来，法拉第不仅要担任实验助手，还要完成男仆的职责，照顾戴维的饮食起居，对此法拉第没有任何心理准备。此外，戴维的妻子因为法拉第出身卑微而看不起他，对待他的态度十分恶劣。 [10]
尽管如此，这次旅程仍然让法拉第受益匪浅。传记作家皮尔斯·威廉姆斯称，法拉第收获的是“欧洲大学”颁发的学位。法拉第走进了通常只有富人才能进入的场所，更重要的是，他结识了一些著名科学家，包括为电磁学研究做出早期贡献的安德烈–马里·安培（André-Marie Ampère）。法拉第甚至直接参与了戴维证明碘是一种新元素的实验分析工作。历时18个月的旅行结束之后，戴维和法拉第回到伦敦。从那时起，虽然法拉第仍与戴维及其他科学家合作，但他已经做好了独立开创事业的各种准备。 [11]
第一项成就：电动机
1820年，丹麦科学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans ChristianØrsted）发现了电磁感应，这个消息轰动了世界，也传到了戴维和法拉第的耳中。奥斯特的这个发现纯属偶然。在一次讲座中，奥斯特把电池连接起来，使电流从电线中通过。就在这时，他看到附近桌子上指南针的指针动了一下。用奥斯特的话来说，电线中的电流“扰动”了指南针的指针。由此，奥斯特发现，电路中的电流和指南针的磁针之间会产生吸引力（或排斥力）。英国皇家学会的科学家们证实了奥斯特的这个发现，并迫切希望解释其中的原理。英国皇家学会的另一位科学家威廉·沃拉斯顿（William Wollaston）四处发表演讲，法国科学家安培也迅速加入讨论的行列。但是，在短时间内，所有人都无法给出详尽的解释。 [12]
1821年，《哲学年鉴》（Annals of Philosophy ）的编辑理查德·菲利普斯（Richard Philips）邀请法拉第撰写系列文章，总结电学领域的研究现状。在为撰写这些文章做准备工作时，法拉第发现了电磁旋转现象，从技术角度来说，他完成了电动机的发明。奥斯特已经证明，电会对磁产生作用，法拉第则进一步证明电与磁之间是一种相互作用。法拉第把一个永磁体放到有电流通过的导线旁边，结果那根导线绕着永磁体的磁极旋转起来。这就是说，在磁的作用下，电能可以转化为机械能（电线发生了旋转现象），做机械功。从法拉第发现电与磁的基本关系直到现在，工厂和家庭使用的所有电动机都是基于这一发现设计而成的。 [13]
1821年，法拉第发表了两篇论文。第一篇刊登在《哲学年鉴》上，题目是“电磁学简史”，试图解释奥斯特和安培的观点。在完成这篇论文之后，法拉第做了一些实验，并实现了他的第一个伟大成就。接着，法拉第又写了一篇16页长的文章，介绍他的独创性研究，题目是“关于一些新的电磁运动和磁学理论”。这篇文章发表在《科学季刊》（Quarterly Journal of Science ）上，作者署名为英国皇家学会助理化学分析师法拉第。传记作家詹姆斯·汉密尔顿说，因为法拉第没有对戴维和沃拉斯顿的帮助表示感谢，所以这篇文章刚一发表，他就遭到“科学界的严厉斥责”，被暗讽为“仆人携带银器出逃”。 [14]
这一事件造成了汉弗莱·戴维与法拉第师生反目的悲剧。英国皇家学会希望吸纳法拉第成为它的一名会员，却遭到戴维的百般阻挠。戴维声称法拉第剽窃了他的理论，不仅涉及电磁学，还涉及氯的液化。但是，在阻止法拉第成为英国皇家学会会员这件事上，戴维没有得到任何人的支持。1824年，法拉第以仅有一票反对的投票结果成功进入英国皇家学会。这个小插曲表明，由于从事科学研究的主体是人，所以它并不总是像人们所想的或者所希望的那样客观公正。 [15]
第二项成就：发电机
在发明第一台电动机之后的第十个年头，法拉第又发明了第一台发电机。电动机利用电能完成机械运动，发电机则相反，通过机械运动产生电流。这两种技术的核心都是电磁感应。从1831年开始，法拉第发表了一系列论文，详细描述他的实验室研究成果，并且宣布：“我一直在考虑是否可以通过普通磁体得到电。这样做可能得到的结果以及取得成功的希望，时时激励着我在实验中探索电磁感应效应。最近，我得到了肯定的答案。” [16]
法拉第得到的确实是肯定的结果。他做的那些实验虽然简单，却可以系统地证明普通磁铁在金属线圈内移动会产生电流。这个原理是今天几乎所有发电厂成功运行的基础，也是把瓦特与电学联系在一起的纽带，因为让磁体来回运动的装置就是瓦特发明的蒸汽机。 [17]
为了充分理解法拉第简单而睿智的想法，我们有必要深入研究他的一些实验。法拉第首先将两根电线缠绕在一根木棒上，其中一根电线与电池相连。当电池放电时，电流就会通过这根电线，法拉第将这部分组件称作“诱导线”。他把另一根电线与电流计连接，用来检测电流，法拉第将这个部分称为“感应线”。法拉第的目的是检验诱导线中的电流是否会使感应线中也产生电流。由于实验中使用的电池容量较小（因此它产生的电流非常弱），法拉第报告说他“根本无法观察到电流计的指针发生任何偏转”。这次失败是他取得成功的必经阶段，因为遭遇失败之后，他决定做两个全新的实验。 [18]
在接下来的实验里，法拉第使用的装置是一个用软铁焊接的圆环，形状与甜甜圈相像。法拉第在铁圈的左右两边分别缠绕一根导线，左边的导线连接电流计，右边的导线连接电池。按照法拉第的预期，右边的诱导线（连接电池，有电流通过的那根导线）会磁化铁圈，进而使左边的感应线中产生电流。通过电流计，法拉第发现实验真的产生了这种结果，“而且强度远远超过线圈匝数增至10倍但不使用铁圈时的效果”。重要的是，电流计只能检测到短暂的电流。也就是说，只有在电源接通以及断开的瞬间，线圈中才可以检测到电流。 [19]
最后，法拉第使用普通磁体做实验。当他把磁体放进一个空心线圈里时，电流计检测到了电流。由于他的目的是通过磁体在线圈中产生感应电流，因此实验中没有使用任何电池。不过，与其他实验一样，这次的感应电流同样非常短暂。如果让放在线圈中的磁体保持静止，电流计的指针就会回到初始的位置。当他把磁体从线圈中拿出来的时候，电流计的指针又会转向相反方向。 [20] 于是，法拉第断定：“我认为，这些各不相同的实验，肯定可以证明普通磁体能产生感应电流。”事实上，时至今日，发电厂发电的关键就在于让磁体在线圈中运动。 [21]
这场创造出第一台发电机的革命就这样悄无声息地发生了，没有任何大张旗鼓的宣传报道。有一次，时任英国首相的罗伯特·皮尔（Robert Peel）前往法拉第的实验室访问。皮尔问法拉第，他的发明可能会产生什么样的影响。皮尔的问题很直白，法拉第回答说：“我不知道，但我肯定你的政府会对它征税。”今天，我们知道法拉第在实验室中完成的那些实验非常重要，远不只是一个新的税收来源。法拉第发现了电磁感应，并发明了第一台发电机。威廉姆斯断言：“整个电力工业就发端于这个简简单单的实验室玩具。” [22]
第三项成就：电磁波
获得两大成就之后，法拉第对科学的贡献仍未停止。通过前面介绍的那些实验，法拉第证明了磁可以产生感应电流，也就是说，当磁体在线圈中来回移动时，线圈中就会持续产生可检测到的电流。后来，法拉第又证明电流也能产生感应电流。当一根导线上有电流通过时，可以在附近的导线中产生可检测到的电流。这种电—电感应为变压器技术的发明创造了条件。如今，变压器的应用十分广泛，可以增加或降低电流的电压，以提升电力传输的效率和电力应用的安全性。由于在电磁感应方面取得的研究成果，法拉第获得了英国皇家学会的最高奖——科普利奖章。本杰明·富兰克林也曾获此殊荣。 [23]
为了实现他的第三项成就，法拉第把研究目标转向了另一个重要的科学问题：力是如何传递的？简单地说，磁力是如何从磁体到达导线的？电力是如何从一根导线到达另一根导线的？在牛顿力学体系中，答案可以用“超距作用”这个词来概括。人们认为引力的作用有距离限制，作为一种力，引力只取决于受影响物体的质量和它们之间的距离。牛顿力学认为，这些物体之间充斥着真空（通常被称作“以太”）。电学研究利用库仑定律来表示牛顿力学的这个观点，认为物体之间的电力取决于物体的电荷量和物体之间的距离。[查尔斯–奥古斯丁·库仑（Charles-Augustin de Coulomb）是1736年出生的法国物理学家。] [24]
法拉第离经叛道的理论使科学界发生了翻天覆地的变化。他驳斥了超距作用这个在牛顿力学中占据核心地位的概念，指出力不是通过真空传递的，而是通过空间中的粒子相互传递的。在麦克斯韦和爱因斯坦各自独立完成的现代场理论研究的推动之下，法拉第的这个观点最终变成了主流理论。借助这些后来科学家的研究，法拉第的理论为电磁波研究奠定了基础，电磁波是现代通信技术的基础。 [25]
在任何年代，法拉第建立这些突破性理论的历程都足以令任何有志于科学发现、科学创新的人为之折服。例如，他的探索始于化学，而不是物理学。即使在今天，像他这样“跨界行动”从而取得重要突破的现象，在科学或商业领域仍然很常见。
1836年1月，法拉第在英国皇家学会礼堂完成了一个与超距作用有关的“壮观”实验。他建造了“一个边长12英尺的大立方体”，上面覆盖着一层“传导材料”。法拉第把这个“笼子”放在绝缘“支架”上，然后“不断给它充电，直到火花四射”。而法拉第本人一直“心平气和地”坐在笼子里。种种迹象表明，笼子里没有电。法拉第设计这个笼子以及其他许多不那么引人注目的实验，目的就是告诉人们，尽管“带电物体或电火花”相互吸引或者排斥，但是“在这些物体内部并不存在这些”吸引力或排斥力。相反，“这些力都存在于周围的空间里”，也就是说，存在于带电物体之间的真空中。这个实验看起来非常危险，必须有极大的自信心才敢参与其中，但在法拉第的科学生涯及个人生活中，对不可见事物笃信不疑的事例并不鲜见。 [26]
科学与信仰
宗教是影响法拉第的“最早也是最重要的因素之一”。法拉第所在的教派是苏格兰牧师罗伯特·萨德曼（Robert Sandeman）创建的，信徒们称为萨德曼教派。当时，英格兰各地教派林立，萨德曼教派就是其中之一。传记作者詹姆斯·汉密尔顿说：“萨德曼教派在布道时通常严格遵循《圣经》的字面意思。”信徒们只信奉一个神，那就是上帝。威廉姆斯说，尽管法拉第宣称他将科学和宗教区别对待，“但是他对物理世界的最深刻的直觉都来自上帝创世这个宗教信仰”。既然只有一个上帝，法拉第自然希望自然力也只有一种。因此，找到自然界中各种力量之间的联系，在法拉第的科学研究中占据了非常重要的地位。 [27]
法拉第在谈论上帝时从不避讳谈论科学，反之亦然。他说他发现的各种力是“第二推动力”，而排在第一位的是“创造各种奇迹、统治世界”的“造物主”。威廉姆斯指出，法拉第认为，一个人的最高使命应该是探求“上帝创世的相关知识”。在一次关于科学教育重要性的演讲中，法拉第对自己的科学信念和宗教信仰进行了总结。他说，我们确实可以用“奇妙、美丽”这样的词语来形容电，但它“与自然界中的其他力量并无不同”。在说到人类对大自然的统治时，他说，大自然的奥秘令人为之倾倒，但是“它有规律可循”，因此“受教育的人甚至可以在很大程度上支配它”。最后，法拉第表示科学教育“应当受到推崇”，因为“它为人类送来了上帝赐予的礼物”。 [28]
谦逊是信仰带给法拉第的副产品。法拉第认为自己有机会从事手头的工作，是一件值得庆幸的事，这种态度在他的书信和工作中都表现得十分明显。法拉第说过：“我认为，在所有知识中，我的观点是不完善的，我的判断也是不完美的。在实验中，我得出的结论即使没有全错，也肯定不是完全正确的。”法拉第对人类错误（包括他自己的错误）的宽容，是他坚持做科学研究的动力。 [29]
然而，令人遗憾的是，随着年龄增长，法拉第的记忆力逐渐衰退。在谈到自己的记忆力时，法拉第说他“有时会忘记刚发生的事，有时又以为很久以前发生的事是刚才发生的”。他还说：“过去的就这样过去了，再也记不起来；未来就这样来了，没有想象，也没有任何预测；即使现在，它在我的脑海中也只是影影绰绰的。”1860年，年近70岁的法拉第写道：“当我试图从事科学写作时，却发现头脑里一片混乱，只好黯然搁笔。”同时代的德国物理学家希滕贝格（Lichtenberg）认为，记忆力衰退是一段令人伤感的经历：“如果记忆力没有问题……无论是20岁，还是30岁，所有人在一起都能亲密合作。一旦某人记忆力衰退，他就会越来越孤独，跟他年纪相仿的人都会离他而去，并且嘲笑这个无助的老人。”1861年，法拉第向英国皇家学会递交辞呈，辞去他承担的部分工作。在信中，他回顾了自己作为会员的49年时光，并对皇家学会的管理人员表示感谢。他说，他们的友善让他的“生活十分幸福”。在信的结尾，法拉第说他正处于“缓慢衰退”的阶段，但他仍然觉得“这样的晚年生活”是“上帝的赐福”。 [30]
由于法拉第没有像瓦特那样申请专利，也不热衷于物质利益，因此他的那些发明并没有让他步入富人的行列。幸运的是，他对科学的贡献得到了英国政府的肯定和认可。1858年，维多利亚女王把汉普顿宫的一套房子奖给了法拉第，表彰他一生对科学的热爱。法拉第的晚年就是在这套房子里度过的。 [31]
法拉第的科学成果就其自身而言非常重要且引人关注，但事实上，如果不考虑他的信仰，这些成果是我们无法完全理解的。他的信仰驱使他去寻找一种看不见的力量，也促使他相信这些看不到的东西。这种信仰还给了他从事科研和面对生活的勇气，尤其是在疾病缠身的晚年。1861年，法拉第在一封信中谈到了死亡：“这份平和是上帝赐予我们的礼物，既然是上帝赐给我们的，我们为什么要害怕死亡呢?”1867年8月25日，法拉第离开了人世。 [32]
麦克斯韦与电、磁、光
麦克斯韦把法拉第对电与磁之间关系的见解推进了一步，单凭这个贡献就足以让他长时间地位于著名科学家之列，但是他的成就不止这一个。麦克斯韦发现光波也是电磁波，所有的电磁波都以光速传播。因此，麦克斯韦将电、磁和光相结合，形成一个统一的理论。在早期科学家中，至今名声仍如日中天、所创立理论仍是现代科学之基础的人并不多见，麦克斯韦就是其中之一。就连爱因斯坦在追溯自己伟大成就的源头时也对麦克斯韦赞誉有加，他说：“詹姆斯·克拉克·麦克斯韦终结了一个科学时代，同时开启了另一个科学时代。” [33]
科学神童
1831年，麦克斯韦出生于苏格兰爱丁堡，14岁时就进入了科学界。他的科学道路始于一个简单的游戏。他先把一根大头针固定到纸上，然后取一根细绳，一头绑在大头针上，另一头绑在一支铅笔上。用这种方法，他可以画出圆形。如果再加一根大头针，画出来的图形就是椭圆。他不断地增加大头针的数量，画出各种不同的图形。之后通过进一步的研究，麦克斯韦为他画出的那些图形一一列出了数学方程式。他的父亲把麦克斯韦的成果拿给他的朋友詹姆斯·福布斯（James Forbes）看，这位爱丁堡大学的自然哲学教授后来就成了麦克斯韦的导师。福布斯及其数学系的一位同事就此进行了调查，以确认之前是否有人做过类似的工作，结果发现法国著名数学家、哲学家勒内·笛卡儿有过类似的研究。此后不久，福布斯教授在爱丁堡皇家学会会议上展示了麦克斯韦的论文，而麦克斯韦因为太年轻，无法出席会议。 [34]
19世纪中期，麦克斯韦接触了大量的尖端科学技术。在叔叔的带领下，他参观过著名的眼镜商威廉·尼科尔（William Nicol）的工厂。此外，麦克斯韦还去过他堂姐家。他的堂姐夫休·布莱克本（Hugh Blackburn）是格拉斯哥大学的数学教授，与后来成为英国最著名科学家之一的自然哲学教授威廉·汤姆森（William Thomson）是好朋友。汤姆森和法拉第对麦克斯韦的成长产生了极其重要的影响。 [35]
1847年，16岁的麦克斯韦开始到爱丁堡大学听课。在那里，他阅读了大量数学书籍，还学习了各种各样的科学研究方法，其中包括受到大卫·休谟赞赏的方法。休谟认为，数学应该是所有科学真理的基础，任何没有数学支持的理论都只是推测。麦克斯韦把他的两项数学研究写成了论文，但是，由于年龄小，他仍然无法在爱丁堡皇家学会会议上亲自展示自己的论文，而只能由他人代劳。三年后，也就是1850年，麦克斯韦离开爱丁堡，进入剑桥大学三一学院就读。在大学期间，麦克斯韦对电磁学产生了浓厚的兴趣。 [36]
“让整个世界为之改变的人”
在麦克斯韦100周年诞辰时，爱因斯坦明确指出，麦克斯韦和法拉第共同颠覆了物理科学。他说：“自牛顿奠定经典物理学的基础之后，物理学公理体系（换言之，就是我们头脑中现实结构的概念）所发生的最大变化，就是法拉第和麦克斯韦对电磁现象的研究。”爱因斯坦接着解释说，牛顿体系把现实描述为物体之间的相互作用（“质点”以及质点间的“作用力”）。随后，麦克斯韦让人们对自然的主流观点发生了变化，物体间的相互作用力被无处不在的电磁波取代。因此，法拉第和麦克斯韦的研究成果使物理学发生了彻底的变化。 [37]
1855—1865年的10年间，麦克斯韦完成了三篇论文，极大地提高了人类对电与磁之间关系的认识，并从根本上改变了物理学。他的传记作家巴兹尔·马洪（Basil Mahon）说，麦克斯韦可以被视为“让整个世界为之改变的人”。1855—1856年，麦克斯韦把他的第一篇关于电和磁的伟大论文分成两个部分发表，题目是“论法拉第力线”。1861—1862年，他又分两次发表了他的第二篇论文《论物理力线》。1865年，他发表了论文《电磁场的动力学理论》。8年后，也就是1873年，麦克斯韦发表了一篇有一本书厚度的论文，也是他的代表作《电磁学通论》。 [38]
从标题就可以看出，麦克斯韦的第一篇论文是支持法拉第的理论的。法拉第说过，两个物体之间的空间充满了被他称为“力线”的东西，结果遭到大多数科学家的反对。公开承认自己是“实验天才”法拉第拥趸的麦克斯韦认为，肯定可以很容易就找到物理证据来证明这个现象。事实证明，他是正确的。只需在磁铁周围撒上铁屑，观察这些铁屑在磁铁周围的排列模式，就可以清晰地看到这些力线。麦克斯韦完成他的第一篇论文《论法拉第力线》之后给法拉第写了封信，对后者表示感谢，并且说力线理论可以经受住严格的数学证明令他深受触动。 [39]
一个动听的故事
人们可能以为麦克斯韦的功劳只是将法拉第的思想简单地转化成数学语言，为了让法拉第的思想能够被当时的数学家接受。学者托马斯·辛普森（Thomas Simpson）从一个独特的视角，对《电磁学通论》进行了剖析，结果发现麦克斯韦的数学表达不仅仅是对法拉第思想的简单诠释，而是“提供了一种看待物理过程的全新方法……是一个富有诗意的构想”。借助数学语言，麦克斯韦娓娓道来，不断深入，数学的严谨性使他的“故事”更加可信。事实上，正是凭借数学推理，麦克斯韦最后得出了一个令人惊讶的结论——光本身就是一种电磁波。 [40]
在论文中，麦克斯韦证明法拉第的观点是正确的，即物体之间的所谓“真空”实际上并非空无一物。为了解释空间不空的重要性，我们可以想象有两个人分别站在蹦床的两端。第一个人双腿弯曲，跳跃到空中，然后重重地落在蹦床上。此时，站在蹦床另一端的那个人就会被弹起。为什么呢？是因为牛顿所说的超距作用吗？也就是说，是第一个人的重量以及他与第二个人之间的距离，使得第二个人被弹起来了吗？还是第一个人对蹦床结构（相当于物体之间的“真空”或“以太”）的影响传递到第二个人所在的位置，进而使得后者被弹起来了？按照法拉第和麦克斯韦的理解，第一个人对蹦床的作用力是第二个人被弹起来的原因。也就是说，发生这个动作的空间看似空无一物，但实际上并非如此。
在应用这个观点具体研究电和磁的特性时，法拉第和麦克斯韦认为，磁针运动的直接原因不是导线中有电流通过，而是因为电流对磁针与导线之间的空间产生了某种影响。那么，在这个“空荡荡”的空间里到底有什么呢？这里的“蹦床”是什么样子？事实上，空间里到处都是相互交织的电场和磁场。为了看到这个复杂的结构，麦克斯韦对牛顿学说又进行了一个颠覆性的改变：从能量的角度思考这个问题。第一个人弯曲双腿向上跳跃，该动作产生的能量对蹦床结构造成了影响，进而使得第二个人被弹起。因此，第二个人被弹起的原因并不是牛顿学说中的作用力——既不是吸引力，也不是排斥力。 [41]
从法拉第研究中的一个未解之谜可以看出，选择能量而不是力作为研究的重点，对于麦克斯韦来说具有非常重要的意义。回想一下，只有让磁体在线圈中运动，法拉第才可以实现他想得到的结果——磁力产生感应电流。为了解释这个现象，麦克斯韦认真研究了势能（第一个人摆好姿势准备跳起时储存在他双腿中的能）与动能（与他的动作有关的能）之间的区别，并发现有“能力”做功、产生能量的是动能。因此，法拉第只有让磁体在线圈中运动才可以产生感应电流。
麦克斯韦对电磁波的认识表明，电和其他形式的能量之间有着根本的区别。电就好像汽车使用的汽油，想象汽油从加油站的油枪流进汽车油箱的情景。如果电源插座就相当于那个油枪，为什么电不会源源不断地从插座中流出呢？
这是因为电是电子的运动，而不是流体的运动。更准确的办法是，把电子想象成一个接一个整齐排列的多米诺骨牌。用手指轻推第一个骨牌，它一倒下，后面的所有骨牌也会相继倒下。能量不是通过推倒第一个多米诺骨牌来传递的，而是通过一个接一个倒下的骨牌依次传递的。把家用电灯或者企业用电动机的电源插头插入插座时，电子才会“流动”。要消耗电能，电源和用电设备缺一不可。 [42]
与拉格朗日数学的完美契合
麦克斯韦并不是从零开始，独自搭建起那个帮助他“改变整个世界”的数学体系，而是借鉴了其他人的数学成果。最重要的是，麦克斯韦被带入了法国数学家约瑟夫–路易斯·拉格朗日的数学世界。拉格朗日对某个系统的完整数学描述，正好适用于麦克斯韦希望提出的理论。麦克斯韦利用拉格朗日数学的目的是，测量微小变化（例如，线圈中的电流发生微小变化）对总能量的影响。数学家定义的“偏导数”就可以用来表示某个数量发生微小变化时总能量发生了多大变化。麦克斯韦承认，单一变化的影响取决于当时整个系统的状况。 [43]
麦克斯韦之所以舍弃牛顿力学，而选择拉格朗日数学，是因为物体质量这个概念已黯然失色，不再是理解物理世界的主要方法。辛普森说，麦克斯韦不必像牛顿那样重视质量这个概念（牛顿认为物体因为质量而产生作用力）。运动可以用物体的变化来解释，但麦克斯韦不需要知道这些物体到底是什么，他可以根据这些物体的实际属性进行抽象化处理。 [44]
麦克斯韦舍弃了牛顿力学，也意味着他可能会把聪明又充满好奇心的读者拒之门外。为了在不借助数学知识的情况下解释他的颠覆性观点，麦克斯韦提出了“敲钟人”这个思想实验。设想房间里坐满了敲钟人，每个人手上都抓着一根钟绳。钟绳穿过天花板的孔洞与房间外面的钟连接，所以敲钟人看不到他们敲打的是哪个钟，也不知道这些钟彼此是否有联系。 [45]
“敲钟人”实验是如何帮助非专业人士理解麦克斯韦的惊人科学成果的呢？钟和敲钟人分别代表什么呢？首先，它告诉我们，要听懂演奏出来的乐曲声，我们不需要知道这些钟是通过什么复杂的方式联系在一起的。同样，在理解麦克斯韦系统中产生的总势能和总动能时，我们也不需要知道自然界的复杂机制。
其次，实验表明，我们仅通过绳子所处的位置和拉动绳子的速度就可以知道将会演奏出什么样的乐曲。同样，当电荷处于特定的“位置”和“速度”时，我们也会知道总能量将发生什么样的变化。再次，敲钟人某一次拉动钟绳时所产生的效果，与当时其他所有钟所处的状态有关。同样，电荷导致总能量发生变化也具有类似的特点。 [46]
最后，这是一个动态系统。敲钟人必须拉动钟绳才能产生某种效果，法拉第也必须让磁体在线圈内来回移动才能产生电流。事实上，法拉第就是在帮麦克斯韦求偏导数。 [47]
光也是一种电磁波
麦克斯韦借助拉格朗日数学取得的成果产生了颠覆性影响。麦克斯韦取得的最直接成果就是动力系统观，他认为这是理解电磁波的唯一方法。为了正确理解麦克斯韦的电磁波理论，我们可以先回顾一下奥斯特效应和法拉第电磁感应定律：奥斯特发现了电流的磁效应，而法拉第发现了电磁感应现象。更具体地说，奥斯特发现电流周围存在磁场，而法拉第发现变化的磁场将“产生电场”。如果电场真的会产生磁场，磁场真的会产生电场，电场和磁场就必然会以跳背游戏的方式，不断在空间中延伸。因此，将奥斯特效应和法拉第电磁感应定律结合在一起，就会得到完整的电磁波概念。 [48]
按照麦克斯韦的构想，电磁波包含电场发出的平滑的振荡波（或正弦波）与磁场发出的正弦波，两者相互耦合。我们可以把正弦波想象成使用消防滑杆下滑的人。这个人不是垂直滑向地面，而是旋转下滑。电磁波的空间传播方式使麦克斯韦大受启发，也使他的研究得出了一个令人惊讶的结果：所有的电磁波都以同样的速度传播。然而，速度是一个观测概念，而不是理论概念，所以速度必须通过实验来确定。麦克斯韦认为，既然电磁波的传播速度是光速，那么光本身也是一种电磁波。有了这一伟大的发现之后，麦克斯韦于1861年将电、磁和光这三种最重要的物理现象联系到了一起。 [49]
法拉第与麦克斯韦留给世人的遗产
法拉第和麦克斯韦揭示了科学研究对电力行业发展的重要性、个人品格对科学家的重要性，以及电学研究对科学进步的重要性。这些，就是他们留给世人的宝贵遗产。首先是科学研究对电力行业发展的重要性。法拉第在1821年发明了简单的电动机，在1831年发明了简单的发电机，为富兰克林和瓦特的发现和发明提供了非常重要的科学技术支撑。对科学的这种依赖使电不同于其他大多数常规能源，包括用作汽车燃料的石油、用于家庭取暖或用作化学原料的天然气，以及用作发电燃料的煤炭。这几种也都是非常重要的能源，都对重要的技术进步起到了推动作用。但是，这些能源的开采和使用，不需要我们在密切联系自然结构的前提下通过科学的方法加以理解。
其次是个人品格对科学家的重要性。有趣的是，法拉第和麦克斯韦在科学道路上取得成功的过程迥然不同。法拉第几乎没有接受过正规教育，只能依靠公开讲座和简单的实验来提高自己。与此形成鲜明对比的是，麦克斯韦从小就从英国和苏格兰的著名大学以及苏格兰皇家学会那里获取知识和支持。尽管如此，麦克斯韦这位年轻的数学天才，却选择认同法拉第这位出身平凡却富有远见的实验人员的观点。实际上，麦克斯韦似乎认为，他最终得出光是电磁波这个令人吃惊的结果，应归功于法拉第。麦克斯韦说：“（法拉第）提出的光是电磁波的观点，和我在论文中首次提出的这个观点没有本质区别，只不过在1846年他没有办法利用数据来计算传播速度。”这两个人都表现出极大的勇气，都敢于与当时公认的理论背道而驰。他们证明了空旷的空间中并非空无一物，而是充满了电磁波，这与受众人推崇的牛顿理论不一致。只有科研进程不受任何因素的干扰，把全部注意力集中在探求真理之上，才可以被载入史册。法拉第和麦克斯韦就具备这样的品格。 [50]
再次，是电学研究对科学进步的重要性。人们的研究兴趣并不仅限于了解电的奥秘，而是非常广泛，希望了解自然界的所有力量。换句话说，电学研究不仅仅是科学前进道路上的一个站点，其本身就是一条道路。从这个意义上说，富兰克林时代是一个令人敬畏的时代，一个科学发现层出不穷的时代。
法拉第和麦克斯韦都是富有创造力和献身精神的科学家，时至今日，他们的研究成果仍与我们的生活息息相关。自电力行业及无线通信行业诞生之日起，他们提出或者受他们启发产生的技术就为这两大行业的发展提供了支持，而且这种状况一直持续到今天。他们所提出的科学理论彻底改变了物理学，从更广泛的意义上讲，甚至颠覆了人类对自然的理解。自他们之后直至爱因斯坦时代，物理学上的所有重大进步（包括爱因斯坦提出的那些著名理论）都可以追溯到法拉第和麦克斯韦。他们在为人处世方面表现出来的高尚品格和谦逊态度，必将激励所有科学家和所有人为追求真理而无私奉献。
[1] L.Pierce Williams,Michael Faraday: A Biography (London: Basic Books,1965),196.
[2] J ohn Meurig Thomas,“Faraday and Franklin,”Proceedings of the American Philosophical Society 150,no.4 (2006): 532–33;William H.Bragg,“Michael Faraday,”The Scientific Monthl 33,no.6 (1931): 487–89.
[3] Williams,Michael Faraday,xi;James Hamilton,A Life of Discovery: Michael Faraday,Giant of the Scientific Revolutio (New York: Random House,2002),xi.
[4] Williams,Michael Faraday,8,14.
[5] Williams,Michael Faraday,14–15.
[6] Williams,Michael Faraday,10,16.
[7] Williams,Michael Faraday,16,25–26.
[8] Williams,Michael Faraday,20–25.
[9] Howard J.Fisher,Faraday’s Experimental Research in Electricity: Guide to First Reading(New Mexico: Green Lion Press,2001),15–16.
[10] Hamilton,A Life of Discovery,37–38,50;Williams,Michael Faraday,19,31,40–41.
[11] Williams,Michael Faraday,31,34–35,42.
