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物理学家研究看不见摸不着的电磁场
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中文中的“磁石”就是慈爱的石头，用现代语言来说，就是有爱情的石头。其实，古希腊人也认为“磁石”是有生命的，因为有一种看不见、摸不着的神秘力量，使它们相互吸引。然而，人们在这种哲学性的思辨阶段停留了两千多年。后来，通过许许多多物理学家的不懈努力，这种看不见、摸不着的神秘力量才逐步逐步地被认识。其中包括杰出的英国物理学家法拉第（Micheal Faraday，1791—1867）和麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831—1879），他们在研究这种神秘力量的艰难工作中，跨出了决定性的几步。
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法拉第是一位工人出身的实验物理学家，长于动手，善于观察。他对磁石所具有的这种神秘力量进行了认真细致的观察和测量，并用定量的数学形式来描述这种神秘的力量。不管人们把磁石周围的这种神秘力量称为“生命”也好，称为“爱情”也好，这种力量从此再也不是文学家和艺术家所独用的语言，而是进入了实验科学的领域。法拉第还把铁粉撒在纸上，再把磁石放在纸的背后，轻轻抖动这纸片，上面的铁粉就会排起队来，并从磁石的南极一直排到北极。用这样的方法，法拉第把这种看不见又摸不着的“幽灵”，变成为很容易看到的东西。法拉第还把这种用铁粉排成的线称为“磁力线”。
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与法拉第不同，麦克斯韦则是一位长于数学的理论物理学家。他假定，这种看不见摸不着的神秘力量是一种与液体相似的东西，并把它称为“场”（field）。然而，麦克斯韦并不停留在发明了“场”这个单词来代替“幽灵”，代替“生命”，代替“爱情”，或代替看不见摸不着的气功中的“气”一词，而是根据法拉第等先辈科学家积累的大量实验数据，定量地写出了一组“幽灵”的运动方程，这就是物理学中著名的“麦克斯韦方程组”（Maxwell equations）。“麦克斯韦方程组”也借用了许多流体力学中的数学。也就是说，他用看得见摸得着的液体为模型，来描述看不见摸不着的“电磁场”。
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然而，更有趣的是，从麦克斯韦方程组中可以推出，在这种看不见摸不着像幽灵一样的“电磁场”（electromagnetic field）中，也有像水波一样的东西。也就是说，麦克斯韦方程组预言了“电磁波”（electromagnetic wave）的存在，或者说：预言了“幽灵波”的存在。如果我们退回一百五十年想一想，当时的这种预言简直是痴人说梦，完全是天方夜谭。
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但最有趣的是，根据麦克斯韦的预言，意大利的工程师马可尼（Guglielmo Marcoin， 1874—1937）真的用这种“幽灵波”作媒介，在1901年发明了世界上的第一台电报机。这当然是“电磁波”存在的有力证据，也是电磁波通信的开端。为此，马可尼获得了1909年的诺贝尔奖。
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时间过得真快，100年后的今天，人们的生活已经离不开电磁波了，我们已经无法想象，一个没有手机、没有电视，也没有收音机的社会是怎样生活的。然而，人们也真是够健忘的，只不过短短的100年，人们就把这两千年来一直猜不透的“幽灵”忘记得干干净净，根本就忘记了电磁波的“幽灵”本性。
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另一个看不见摸不着的“幽灵”，就是那个我们称为“万有引力”的东西，也有过一段漫长而相似的发现历史。“万有引力”的发现也要追溯到著名的波兰天文学家哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473—1543）。他是第一个指出地球是绕着太阳转的，就如我们用绳子拴一块石头，使劲让石头围着手转圆圈一样。
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后来，德国的天文学家开普勒（John Kepler， 1571—1630），根据他老师第谷（Brahe Tycho， 1546—1601）近四十年所积累的大量实验数据，更精确地计算出了地球以及其他行星的运动轨道，发现它们的轨道并不是像围着手转的石头那样是正圆形的，而是椭圆形的，太阳就位于椭圆形的两个焦点中的其中一个之中。
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然而，无论是哥白尼还是开普勒，都没有提到，当地球绕着太阳转时，是什么“绳子”把地球系在太阳上。我们都知道，当我们用绳子拴一块石头，并使劲让石头围着手转圆圈时，忽然绳子断了，那么石头就会飞走。同样地，如果没有这样一根绳子系在地球和太阳之间，那么地球也早就飞掉了。
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为此，英国物理学家牛顿（Isaac Newton，1642—1727）提出了一个大胆的假说，认为在地球和太阳之间有一根看不见摸不着的“绳子”，就像幽灵一样，把地球系在太阳上，不至于逃掉。他把这根幽灵一样的“绳子”称为“万有引力”。这个“幽灵”倒确实“万有”，因为它无处不在，当你没有把玻璃杯拿牢时，这个调皮的小妖精马上就把杯子拉到地上去摔破。然而，要没有这一位“幽灵”的存在，我们就更惨了，就像太空站的宇航员一样，站也站不住，坐也坐不稳，睡也睡不好，真正是“坐立不安”了。
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说实在，目前科学家对“万有引力”的认识还远不如电磁场。虽然我们可以精确地测量万有引力，但是对“引力波”（gravitational wave）的预言，至今还没有完全被实验证实，当然更谈不上“引力波”的应用了。然而，正因为“万有引力”的无所不在，以及人类生活对万有引力的高度依赖，科学家还是把这种“幽灵”作为科学的基础之一，像汤姆生勋爵这样对“万有引力”抱完全否定态度的科学家，毕竟还是极少数。
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物理学家研究看不见摸不着的原子
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在我们这个时代，每一个受过教育的人都深信原子的客观存在。不过，谁也没有用自己的眼睛看到过原子。同样地，如果我们真的有勇气说真话，我们不能不老实承认，在原子这个世界中，我们所有的人也都是“盲人”。
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所以，我们对原子的认识，也就与盲人世界中的科学家面对大象一样，几乎一点都不差。原子物理学的奠基人之一，德国物理学家海森堡（Werner Heisenberg， 1901—1976），说过一段很深刻的话：“我们所观察到的，其实并不是大自然本身，而只是大自然对我们所提问题的一种反应。”
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事实上，“原子”这个东西也只是大自然对我们所提问题的一种反应，并不是大自然本身。最初，“原子”这个概念只不过来源于一段聊天，并且好像是非常没有实际意义的聊天，因为这是两个哲学家之间的聊天。这事发生在地中海边一个长满棕榈树和橄榄树的美丽海滩上，树下坐着两位古希腊的哲学家：一位叫德谟克利特（Democritus公元前460—公元前362），另一位叫留基伯（Leukipp）。
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这段聊天是从切苹果开始的。讨论我们能不能把一个苹果永远不断地分割下去。他们两人认为，一个苹果是不可能永远分割下去的。到了某一阶段，我们会遇到保持苹果性质的最小颗粒。他们把这种最小的颗粒称为“原子”。在希腊文中，“原子”（atom）就是不可再分割的最原初粒子。他们俩还认为，所有的物质都是由原子组成的，在这些原子之间，只是虚空。
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当然，这只是一个纯粹的臆测，因为没有人能证明他们到底是对还是错。所以，两千年过去了，这段纯哲学的聊天也慢慢地被人们忘记了。到了17世纪，法国的哲学家和天文学家伽桑狄（Petrus Gassendi，1592—1655）又重新找出了德谟克利特的“原子假说”。英国物理学家牛顿（Isaac Newton，1642—1727）也采用了“原子假说”，但完全没有实验的支持。
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然而，由于牛顿在物理学界的声望，“原子”，当时这种子虚乌有的东西也就成了科学界的某种“信仰”（belief），而在当时，这种“信仰”与宗教中的“信仰”没有什么差别。基于这种“信仰”，许多科学家都深信“不可分割粒子”的存在，尽管当时只是一种纯假说，是一种比气功中的“气”还要玄得多的东西。
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第一个对这种纯假说进行定量科学研究的，是荷兰数学家伯努利（Daniel Bernoulli，1700—1782）。他假定，气体是由许许多多原子，也就是许许多多微小的刚体颗粒组成的，这些刚体的微小颗粒在不停地随机运动，相互之间也是不停地碰来碰去。用这样的假设，许多现象，包括温度、压力和气体的膨胀等，都可以找到解释，并可进行定量的计算。
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另一方面，英国科学家卡文迪许（Henry Cavendish， 1731—1810）和法国化学家拉瓦锡（Antoine—Laurent de Lavoisier，1743—1794）发现，我们所呼吸的空气并不是一种纯净物质，而主要是由氮气和氧气组成的。同时，他们也证明，水是由一份氧气和两份氢气组成的。如果把两升氢气小心地在一升氧气中燃烧，就可以得到纯净的水，并不留任何多余的气体。
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1803年，英国化学家道尔顿（John Dalton， 1766—1844）提出了“定比定律”，即所有的纯净物质都是由一定比例的原子组成的。也就是说，这是化学家用的原子理论。事实上，“定比定律”真正奠定了现代化学和分子原子论的基础。根据“定比定律”，道尔顿又进一步假设，不同的原子就如大小不同的刚体球，而分子就是由这些大小不同的刚体球组成的。例如，一个水分子就是由三个刚体球组成的，一个大球是氧原子，两个小球是氢原子。也许，这就是关于这个极为微小的、肉眼看不到的、手也摸不到的“袖珍大象”的第一个“模型”、第一个“假说”或第一个“理论”。然而，道尔顿这种“袖珍大象”的假说就正是19世纪“分子原子论”的起源，并且显然比德谟克利特和牛顿的“原子假说”进了一大步，因为多多少少有了一些实验证据。
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当然，这些粒子，或者说这些刚体小球，是小到难以想象的程度。不要说德谟克利特，就是牛顿和道尔顿也说不出，分子原子这种“袖珍大象”到底有多大。
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然而，就在道尔顿的“分子原子论”提出后才不过8年，也就是1811年，天才的意大利物理学家阿伏伽德罗（Amedeo Avogadro， 1776—1856）精确地计算出了这种粒子的大小。根据他的计算，在每立方米的气体中，就有6.02×1023个“袖珍大象”（pocket elephant），即“分子”（molecule）。在现代的教科书中，这数字6.02×1023就被称为“阿伏伽德罗常数”。
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又不到3年，也就是1814年，著名的法国物理学家和数学家安培（André Ampère，1775—1836）也独立地算出了同样的结果。于是，道尔顿提出的“分子原子论”就成了19世纪最大的科学成果之一。
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