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世界因何美妙而优雅地运行 123THE UNIFICATION OF ELECTRICITY AND MAGNETISM电力与磁力的统一
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劳伦斯·克劳斯（Lawrence M.Krauss）
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物理学家、宇宙学家，美国亚利桑那州立大学“起源项目”（Origins Project）主任，著有《无中生有的宇宙》（A Universe from Nothing）。
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在 近代科学史上，就我所知，唯有在19世纪将两个常见的、但看似独特的自然力，电力和磁力，二者结合起来的非凡阐释是深邃、美妙又优雅的。于我而言，这个阐释具有科学的最佳性：它结合了令人惊诧的实证发现，历经曲折，最终获得了兼具浅显易懂与优雅的数学架构，它所阐释的事物远远多于我们的预料，并且在此过程当中所生成的技术成了推动现代文明的生产力。
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跳蛙与电子线路的奇妙实验，最终促成了一项偶然的发现，这让自学成才但依旧是最伟大的实验家迈克尔·法拉第（Michael Faraday），发现了磁性和电流之间的奇妙联结。在当时，众所周知的是，移动的电荷或电流围绕自身会生成电磁场，可排斥或吸引周围临近的磁铁。但还有一个问题未得到回答，即磁铁是否会让带电物体产生电力。当法拉第启动或停止电流时，他偶尔发现，会产生一个随时间增长或减弱的磁场，在磁场变化期间，某个力量会在附近的电路中出现，并移动其中的电荷而产生电流。
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随着日渐被人们熟知，法拉第电磁感应定律不仅是支配所有发电机的基本定律，而且还制造了一个理论难题，该难题需要詹姆斯·克拉克·麦克斯韦来解决，他是另一个在我们的时代中最伟大的理论物理学家，唯有他的智慧，方可解惑。麦克斯韦意识到法拉第的实验结论暗含着一个不断变化的磁场会产生反作用力达到抵偿的效果，它会推动导线内的电荷，从而产生电流。而且法拉第自己在研究过程中引进了图像概念，因为他觉得图像比代数更得心应手。
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想获得支配电场和磁场方程式的数学对称性，除了需要一个因为电荷移动而产生的磁场，还需要一个因为电场改变而产生的磁场。这不仅会产生一组“麦克斯韦方程组”，几乎每个物理学学生都知道这个方程组，也是有些学生的最爱，而且该方程组还保持了数学一致性，有些人还将其印在T恤上。同时它还构建了一个物理事实：一个场，这个场是某些与每个时空点相关的数量，否则这套理论就只能是法拉第的想象。
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而且，麦克斯韦也观察到，如果变化的电场产生磁场，那么不断变化的电场就会产生不断变化的磁场，比如你持续上下摇晃电荷。反过来，产生的不断变化的电场，又会产生出不断变化的磁场，以此类推。这种场的“干扰”源自晃动的电荷，其速率可由麦克斯韦方程式计算出来。公式中的常数来自实验：测量两个已知电荷之间的电作用力，以及两条已知电流自建的磁力作用。
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依据大自然这两个基本的属性，麦克斯韦计算出了场的干扰速度，并发现其速度恰好是已测量出的光速！于是他发现光确实是一种波，只是这种来自电场和磁场的波会以自然的两种基本常数决定的准确速度来横穿空间。这为之后的爱因斯坦理论奠定了基础，它证明了光的恒速要求我们修正对空间和时间的概念。
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所以说，从跳蛙和微分方程式中所涌现的物理学中最美妙的统一就是，统一电和磁的单一电磁理论。麦克斯韦的理论阐释了一种物质，它能让我们观察到周围宇宙的存在，这种物质就是光。光的影响形成了一种机制，该机制促进了现代文明，并且控制着所有现代电子设备的原理。而该理论的本质形成了一系列更为深奥的困惑，并促使爱因斯坦对空间和时间提出了新的深刻理解！
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这些实验被格莱斯顿（或是被维多利亚女王，这取决于你接受哪一个杜撰的故事）质疑，并非是件坏事。他们跑到法拉第的实验室，大惊小怪一番，询问这个实验的用途是什么。你可以反问格莱斯顿或女王：“那新出生的宝宝有什么用途？”或是，这样回答他们：“你问我有什么用途？终有一天，它会大有裨益，而你们得为它向我们征税！”美雅并臻、寻幽入微、效用兼备、充满冒险并且振奋人心！科学就是如此尽善尽美！
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世界因何美妙而优雅地运行 124FURRY RUBBER BANDS毛皮摩擦索线
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尼尔·格申斐尔德（Neil Gershenfeld）
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物理学家，麻省理工学院比特与原子研究中心主任，著有《智造》（Fab）。
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我 曾经在美国斯沃斯摩尔学院学习电磁电动力学，师从马克·希尔德教授（Mark Heald），希尔德教授对于尤为简洁的麦克斯韦方程式有着精简的描述。麦克斯韦方程仅用4行，至多31个符号就统一了电场和磁场的动力学两个似乎毫不相关的现象，预测了新的实验观察结果，并包括两种即将出现的理论用波来解释光以及狭义相对论和诸多即将到来的新技术，包括光纤、同轴电缆和无线网络信号。
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但我认为最令人恋恋不忘的阐释并不是麦克斯韦的电磁学，该方程式所具有的美妙和成就已广为人知。我最难忘的是希尔德教授的阐释，他说电场线如同毛皮摩擦索线：我们希望电场线越短越好（相当于橡胶），但不希望彼此靠近（相当于毛皮）。这样浅显易懂又可量化的描述，让我在装置设计方面得心应手。与此同时，我还能够更深入量化地领略到麦克斯韦方程式的本质：电场几何形状的局部解答，可用来解决整体最佳化的问题。
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这样具备可预测性、可描述性的科学相似性，有助于理解我们人类心智尚未进化到的实际操作的领域。统一电力和磁力非日常之事，但解释这些现象则是随处可见的。认识到某种事物与其他事物相像，是一种面向对象的思考方法，它能够帮助我们构建以小见大、见微知著的能力。
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通过举着玻璃杯同时转动手，我明白了自旋量的贝瑞相位；通过一边绕圈一边挥动手臂，我掌握了核磁共振的自旋回波；通过装满水的水桶，我们可以解释处于水平位置的半导体的费米能级。犹如毛皮摩擦索线和电场一样，二者之间的关系呈现出控制方程式之间的类比。与语言文字不同，这些关系更为精准，其所提供的阐释将不常见的形式与熟知的经验连接在了一起。
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世界因何美妙而优雅地运行 125SEEING IS BELIEVING: FROM PLACEBOS TO MOVIES IN OUR BRAIN眼见为实：从安慰剂到大脑中的电影
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埃里克·托普（Eric J. Topol）
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心脏病学家，移动医疗研究者，基因组学教授，加州斯克里普斯转化科学研究所主任，著有《颠覆医疗》《未来医疗》。
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