我们已获得了一个离开了物质源、而以速度c即光速向外行进的波。可是,让我们回顾一下,从历史观点看,过去并不知道麦克斯韦方程组中的系数c就是光传播的速率,当时只是一个方程组中的常数。我们从一开始就叫它做c,那是因为已知道它最终应该变成什么。我们并不认为,让你学习了含有不同常数的公式后,才回过来在它适当的地方代入c,这是切合实际的。然而,根据电学和磁学的观点,我们恰好开始就拿出两个常数∈0 和c2 ,它们分别出现在静电和静磁的方程式中:
如果我们对于电荷的单位采取任何独立 的定义,便可通过实验来确定式(18.14)中所需的那个常数∈0 ——例如利用库仑定律测量在两个静止的单位电荷之间的力。我们也必须在实验上测定式(18.15)中出现的常数∈0 c2 ,例如通过测量两单位电流之间的力而获得(单位电流指每秒流过的单位电荷)。这两个实验常数之间的比值为c2 ——正好是另一个“电磁常数”。
现在应该注意:无论我们选择什么作为电荷单位,这个常数c2 是相同的。如果把两倍“电荷”——如两倍的质子电荷——放进我们的电荷“单位”中,那么∈0 就必须是原来的四分之一大。当我们把两个这样的“单位”电流通过两根导线时,在每根导线中每秒通过的电荷将是两倍,因而在两导线之间的力就会大四倍。常数∈0 c2 一定要减少至四分之一,但比值∈0 c2 /∈0 不变。
因此,仅仅由电荷和电流所做的实验就能求出c2 的数值来,结果证明它是电磁影响传播速度的平方。从静态测量——通过对两单位电荷间和两单位电流间作用力的测量——我们求得c=3.00×108 ms-1 。当麦克斯韦首先用他的方程组做出这个计算结果时,就宣布了一组电场和磁场应以这一速率传播。同时他也已经注意到这个数值与光速相同的神秘巧合。麦克斯韦说:“我们几乎不可避免地断定,光存在于相同媒质的横向波动之中,这种媒质是电和磁现象的起因。”
麦克斯韦完成了物理学中几项重大统一事业中的一项。在他之前,既有光,也有电和磁。这后两者是由法拉第、奥斯特和安培通过实验工作而统一的。然后突然地,光不再是“别的某种东西”,而只是在这种新形式下的电和磁——独自穿越空间而传播着的一小块一小块的电场和磁场。
曾提醒过你们要注意这种特解的某些特点,但事实却证明,任何 电磁波都具有这些特点:即磁场和电场分别与波前运动的方向垂直;而且E和B这两矢量又彼此互相垂直。此外,电场的大小E等于磁场的大小B乘c。这三个事实——两种场都垂直于传播方向,B垂直于E,而E=cB——对于任何电磁波都普遍正确。我们的特殊情况是一个很好的例子——它表明了电磁波的所有主要特点。