图9-8 安培环路定理
因此，麦克斯韦将安培环路定理推广，提出一种“位移电流”假设，得出一般形式下的安培环路定律，揭示出磁场可以由传导电流激发，也可以由变化电场的位移电流所激发。
传导电流和位移电流合在一起，称为全电流，这就是麦克斯韦—安培定律。
这一定律反映了电场是如何产生磁场的，即描述了变化的电场激发磁场的规律。这一规律和法拉第电磁感应定律相反：当电场随时间变化时，会诱导一个围绕电场的磁场。
一言以蔽之，这一组积分方程由4个式子组成，其中2个关于电场、2个关于磁场，一起反映了空间某区域的电磁场量（E、B）和场源（电荷q、电流I）之间的关系。
从数学上来说，积分和微分互为逆运算。
因此，如果将这一组积分方程进行转化，就可以得出一组如下的微分方程，两者数学形式不同，但物理意义是等价一致的，在实际应用中，微分形式会出现得频繁些。
它们表明，电场和磁场彼此不是孤立的，变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场，它们永远密切地联系在一起，相互激发，组成一个统一的电磁场的整体。
这就是麦克斯韦方程组的基本概念，也是电磁学的核心思想。
英国科学期刊《物理世界》曾让读者投票评选了“最伟大的公式”，最终榜上有名的十个公式里，有著名的E=mc2、复杂的傅立叶变换、简洁的欧拉公式……但“麦克斯韦方程组”排名第一，成为“世上最伟大的公式”。
或许，并不是每个人都能看懂这个公式，但任何一个能把这几个公式看懂的人，都一定会感到背后有股凉风。虽然自然界冥冥之中自有感应，但怎么有人能解释如此完美的方程？
这组公式融合了电的高斯定律、磁的高斯定律、法拉第定律以及安培定律，完美地揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性优美，统一了整个电磁场。比较谦虚的评价是：“一般地，宇宙间任何的电磁现象，皆可由此方程组解释。”
光电磁一统江湖
与后世获得如此盛誉相反的是，麦克斯韦方程组首次亮相时，其实几乎无人问津。
麦克斯韦预言了电磁波的存在，并从方程组中推测出光是一种电磁波。这些想法惊世骇俗，但当时大多数人并不买账。人们对于这个尚未得到实验验证的理论怀疑甚深，世界上只有少数科学家愿意接受这个理论并给予支持，赫兹就是其中一位。
他是第一个研究验证麦克斯韦观点的人，尽管他与麦克斯韦素未谋面，却对这位前辈的理论深信不疑，并自1886年起就孜孜不倦地地投入到寻找电磁波的研究之中。
赫兹的实验装置极为简单，主要是由他设计的电磁波发射器和探测器组成，但这拉开了无线电运用的序幕，成为了后来无线电发射器和接收器的开端。如图9-9所示，两块锌板，每块都连着一根端上装着铜球的铜棒，两个铜球离得很近。两根铜棒分别与高压感应圈的两个电极相连，这就是电磁波发生器。在离发生器10米远的地方放着电磁波探测器，那是一个弯成环状、两端装有铜球的铜棒，两个铜球间的距离可用螺旋调节。
图9-9 赫兹实验示意图
如果麦克斯韦是对的话，那么合上电源开关时，发射器的两个铜球之间就会闪出耀眼的火花，产生一个振荡的电场，同时引发一个向外传播的电磁波，在空中飞越穿行，到达接收器，在那里感生一个振荡的电动势，从而在接收器的开口处也同样激发出电火花来。
实验室里，赫兹把门窗遮得严严实实，不让一丝光线射进来。他再一次紧张地调节着探测器的螺丝，让两个铜球越靠越近。突然，两个铜球的空隙也跳跃着微弱的电火花，一次，两次，三次，他的眼睛没有看错，这就是电磁波！两年来，历经千百次探究，赫兹终于成功用实验证明了电磁波的存在。此后，再也没有人怀疑麦克斯韦的理论。
比这个更值得欣喜的是，1888年的初春，赫兹通过其他实验证明了光是一种电磁现象，可见光仅仅只是电磁波的一种。
在麦克斯韦年代尚属完全未知的不可见光，经赫兹的开拓性研究带来了无线电波后，不可见光在后世可是发挥了巨大威力，演化成了现代科技的源泉。正如赫兹所感慨的：“麦克斯韦方程组远比它的发现者还要聪明。”
以后人的角度来看，这组方程的最大贡献在于明确解释了电磁波怎样在空间传播。
根据法拉第感应定律，变化的磁场会生成电场；根据麦克斯韦-安培定律，变化的电场生又成了磁场，正是这不停的循环使得电磁波能够自我传播，如图9-10所示。
图9-10 电磁波
但这种对物质世界的新描绘，打破了当时固有的思维，引起一片哗然。
光的本性是什么？究竟粒子还是波？有关这一问题，人类已喋喋不休地争论了几个世纪。第一次波粒大战发生在17世纪，牛顿以“光的色散实验”直捣胡克站台的波动说，那时，胡克已垂垂老矣，禁不起再三折腾，于是，波动说就这样被牛顿打入冷宫100多年。
直到托马斯·杨的双缝干涉实验的出现，才吹响了第二次波粒战争的号角，波动说卧薪尝胆多年也终于找到了绝地反击的机会。尤其在麦克斯韦预言“光是一种波”以及这一预言为赫兹的实验所证实后，波动说更是意气风发，把微粒说弄得灰头土脸。
当时，麦克斯韦提出：电可以变成磁，磁可以变成电，电和磁的这种相互转化和震荡不就是一种波吗？电磁场的振荡是周期存在的，这种振荡叫电磁波，一旦发出就会通过空间向外传播。但更神奇的是，当他用方程计算电磁波的传播速度时，结果接近300000公里/秒，恰与光的传播速度一致。这显然不只是个巧合。
电磁扰动就是光，光在本质上不过是电场和磁场的扰动。
借助麦克斯韦的这一睿智洞察和后来赫兹铁证如山的验证，人类成功地在认识光的本性上跨越了一大步。波动说也开始开疆扩土，太阳光不过只是电磁波的一种可见的辐射形态。不限于普通光线，我们可以向不可见光进军，从无线电波到微波，从红外线到紫外线，从X射线到Y射线……将这些电磁波按照波长或频率的顺序排列起来，就形成了电磁波谱。
而后，无线电波用于通信、微波用于微波炉、红外线用于遥控、紫外线用于医用消毒……这些不同形式的“光”逐渐组成了现代科技的根基。因此可以说，如果没有麦克斯韦，收音机、电视、雷达、电脑等有关电磁波的东西都将不复存在。
一统光电磁，完成了科学史上第二次伟大的综合之后，麦克斯韦于1879年溘然长逝。也就在这年，一个婴儿诞生了，这个婴儿名为爱因斯坦。
52年后，这个已长大成人的婴儿，于麦克斯韦百年诞辰的纪念会上盛赞麦克斯韦对物理学做出了“自牛顿以来的一次最深刻、最富有成效的变革”。并一生都以麦克斯韦方程组为科学美的典范，试图以同样的方式统一引力场，将宏观与微观的两种力放在同一组式子中。
往后，这一信念深刻影响了整个物理界，在“大一统理论”这条路上，物理学家们前赴后继地探究着科学的终极。
结语
黑暗从此消失
如果说17世纪是一部牛顿力学史，那么19世纪便是一部麦克斯韦电磁学史。
17世纪，牛顿定律让现代机械原理催生出蒸汽机，机器首次取代人力，人类进入“蒸汽时代”。
而后19世纪，麦克斯韦方程组启迪了爱迪生等发明家，电首次取代蒸汽，人类进入“电力时代”。
相比于自然律隐没在黑暗中，万有引力让天地万物遂成光明，麦克斯韦方程组则突破了自然律，让黑暗从此消失。
1888年，赫兹实验里那束微弱的只有指缝大小的电火花，让光与电、电与磁处于电磁力的统一掌握之中，人类文明呈几何级迅猛前进。
然而，比赫兹料想的更为惊人的是，在他死后的第7年，1901年，那束电火花又通过无线电报穿越大西洋，实现了全球的实时通讯，整个人类进入了一个崭新的“信息时代”。
