一、麦克斯韦提出位移电流概念

        1785年，库仑搞清楚了电荷之间的作用规律：力的大小与电荷成正比，与距离平方成反比(当初实验测量数据有30％的误差，但有牛顿引力定律类比参考，还是相信电荷之间遵从距离平方反比作用，可见思想意识观念对实验研究和理论研究的影响)。这就是电学的“牛顿定律”。从此电力变成了可测量、可计算的东西。

        但当时没人知道电和磁有什么关系。

        奥斯特1820年的一次讲课意外，成为转折点。他发现电流可以让指南针偏转。第一道缝被撕开：电流可以产生磁场。

        安培很快跟进，构建了电流之间相互作用的理论，证明电流本质上是一种运动的电荷，具有“磁性”。他还试图类比万有引力，把磁场写成“作用力”，虽然最终失败了，但至少揭示了——磁不是孤立存在的。

        1831年，法拉第发现磁场变化会诱导电流，这不是接触式的作用，而是时变磁场→电场的过程。他用铁屑、导线、磁铁做实验，画出了磁力线、电场线的空间结构。

        注意：他完全没用数学公式。

        他的概念完全来自经验。他认为磁力线和电力线是客观存在的实体，是“场”的可视化，是自然本身的织网方式。

        这一点后来决定了一切。因为麦克斯韦正是看了法拉第这些“看起来不科学”的实验图，才意识到：如果电和磁能互相诱导，那这不就是一个闭合循环的自维持结构？

        而那，就是电磁波。

        但在此之前，还没有一个统一的语言把电与磁真正联系起来——力是力、场是场，定律是各自为政。只有麦克斯韦看出了其中的结构缺口。

        麦克斯韦登场：统一场的第一步

        麦克斯韦不是工程师，也不是靠实验出身的人。他是数学物理家——更准确地说，是那种喜欢把自然图景翻译成方程语言的人。

        他看到了法拉第的磁力线图，看到了电和磁之间彼此诱导的现象。他问了一个简单又致命的问题：如果电场能生磁场，磁场也能生电场，那它们能不能彼此循环、在真空中传播？

        当时电学有高斯定律（电荷会在周围空间“建立”电场）、磁学有安培环路定律（电流会在周围产生磁场）、还有法拉第感应定律（磁场如果在时间上发生变化，会在周围“激起”电场）。

        看似丰富，其实结构残缺。

        麦克斯韦在1861年—1865年间，写出一组涵盖这些规律的完整方程组。他引入了一个关键成分——位移电流。

        这是麦克斯韦最具革命性的假设。他说：哪怕空间中没有真实电流（没有电子在流动），只要电场在变化，它也能“像电流一样”激发磁场。

         这一项（位移电流）——正是原来安培定律中缺失的一环。

        于是，麦克斯韦把之前零散的电磁法则，用一个统一体系收编了起来。他的方程组第一次同时描述了：电场如何源自电荷，磁场如何源自电流与时变电场，电场如何由磁场变化产生，磁场又如何由电场变化产生。

        这个结构有个令人震撼的副产品：它允许电磁扰动在真空中传播——不靠物质，不靠介质，仅靠电场和磁场的自互作用。

       也就是说，麦克斯韦的方程预言了一个新实体：电磁波。他还算了一下传播速度——结果等于光速。

       当时的物理界还处在“光以太论”和“粒子-波二元论”的泥沼里。麦克斯韦的方程用得是一套几何-向量语言，晦涩又抽象，理解成本高，接受门槛更高。

       他在世时，这套理论反响平平。只有极少数人意识到，这不仅是统一电与磁的理论，更是把光“解码”为电磁现象的一场理论革命。

       他的革命，还差一样东西：一个能让方程“发声”的实验验证。

       位移电流的引入：方程组的关键补全

       麦克斯韦的最大贡献之一，不在他统一了多少定律，而在他看到了没有人看到的缺口——安培定律的漏洞。

       原始的安培环路定律说：磁场的环量与穿过环的电流成正比。这在导线上成立，但在某些情况下根本说不通。比如，一个充电中的电容器：电流在导线中流动，但在电容板之间的空隙里，没有电子流过。

       可实验告诉我们，磁场在空隙中仍然存在。

       麦克斯韦指出：这不是电流流动造成的磁场，而是电场在变化。电场随时间的变化，就像一个“虚拟电流”一样，也能激发磁场。

       于是他补上了那一项：

       这是结构对称性的要求。否则，电场能生磁场，磁场却不能完整地生电场，整个体系无法闭合。

  
        位移电流的引入有两个关键后果：

        第一，电磁波可以存在于真空中。因为即使没有载流子，只要电场和磁场互相驱动，它们就可以自我维持、自我传播。

        第二，麦克斯韦方程组成为封闭系统。四条方程，八个变量，互相嵌套，没有冗余，没有缺项。像是力学中的牛顿定律，也像后来场论中的拉格朗日结构。

        用现代语言说，这一步把电磁理论从“经验定律堆砌”推上了“场论”的轨道。

        这时候的麦克斯韦已经不再是在总结已有规律了，他是在用数学结构提出新的物理实体。那就是——光。

        他的计算显示：这个电磁波的传播速度，正好是用实验测得的光速。也就是说：光，就是电磁波。

        但当时还没人看到电磁波，更没人信光是电磁波。连麦克斯韦的朋友都劝他：“这东西讲得太难，没人会读。”

        麦克斯韦于1879年去世，终身没看到电磁波在现实中“动”起来。

        他留下了一组方程，但它们还没成为信仰。直到赫兹登场。

        光是电磁波：理论跃迁的高光时刻。

二、光速的参照物

        确实，速度都需要有参照物，比如日常生活中我们说的速度，通常都是默认地面为参照物。在我们熟悉的低速世界里，这样的认知让一切显得顺理成章 —— 汽车的时速、飞机的巡航速度，都以脚下坚实的大地作为衡量基准。

       但当我们将目光投向宇宙中最神秘的现象之一 —— 光时，情况却发生了翻天覆地的变化。

        光速也不例外，也是需要参照物的。只不过光速是个不变的速度，光在真空中的速度对于所有参照物都是不变的，大小为 299792458 米 / 秒。从这个意义上说，所有的参考系都是光速的参照物。但从别的意义上说未必如此。

       下面我们将分别从经典和现代物理两方面，深入探究这一颠覆人类认知的科学奥秘。

        19 世纪 70 年代，英国物理学家詹姆斯・克拉克・麦克斯韦正沉浸在他对电磁学的深入研究中。当时，电磁学领域已经积累了大量零散的实验定律，如库仑定律、安培定律、法拉第电磁感应定律等。麦克斯韦凭借着超凡的数学天赋和物理洞察力，将这些看似独立的定律进行整合，构建出了一组优美而对称的方程组 —— 麦克斯韦方程组。在对这组方程组进行数学推导时，一个惊人的发现跃然纸上：电磁波的速度竟然是一个常数。

        麦克斯韦深知这个发现的重要性。当时人们对光的本质充满了好奇，而麦克斯韦根据当时人们对光的认识，结合电磁波与光在传播特性上的诸多相似之处，大胆预测光就是一种电磁波。这一预测在当时无疑是石破天惊的，它将光的研究纳入到了电磁学的范畴，为后续的研究指明了方向。

        然而，新的问题随之而来。人们在研究电磁作用时发现，电磁现象会因观察者所处的参考系不同而表现出差异，电磁作用并不满足当时被广泛认可的相对性原理。在经典力学中，伽利略相对性原理指出，在不同的惯性系中，力学规律保持不变，物体的速度可以通过简单的速度合成定理进行计算。但对于电磁波来说，在不同惯性系中其传播速度 C 始终是常数，这明显违反了经典速度合成定理。这一矛盾让科学家们困惑不已，看上去电磁现象的确像与某个绝对参考系有关。

        麦克斯韦本人也深受当时绝对时空观的影响，他认为存在一个绝对的参考系。在他看来，不满足伽利略相对性原理正好说明了时空是绝对的，对于光（电磁波）而言存在一个特殊的（绝对静止）参考系。当时的科学界普遍认为，宇宙中充满了一种名为 “以太” 的神秘物质，它被视为光传播的介质，光是 “以太” 介质的波动。在这个特殊参考系中，麦克斯韦方程组取标准形式，光速在各个方向上均以 C 传播。

        麦克斯韦方程组的完美和电磁理论的巨大成功，极大地激发了科学家们的探索热情，直接启发了人们去做一些相关实验。1881 年，美国物理学家阿尔伯特・迈克耳孙进行了首次实验，试图通过测量地球在 “以太风” 中运动时，光沿不同方向传播速度的差异来证明 “以太” 的存在。但由于实验精度等问题，实验结果并不理想。

        1887 年，迈克耳孙与爱德华・莫雷合作，对实验装置进行了大幅改进，进行了著名的 “迈克耳孙 - 莫雷干涉实验”。他们利用精心设计的干涉仪，将一束光分成两束，让它们分别沿着相互垂直的方向传播，然后再使它们相遇产生干涉条纹。如果 “以太” 存在，那么由于地球在 “以太” 中运动，两束光在不同方向上相对于 “以太” 的速度就会不同，从而导致干涉条纹发生移动。

        然而，经过反复精确测量，实验结果却令人震惊：在任何惯性系中，光速都是不变的，并没有观察到预期的干涉条纹移动，这意味着 “以太”效应 并不存在。

        针对这些实验结果，众多科学家试图利用已有理论进行调和解释。荷兰物理学家亨德里克・安东・洛伦兹提出了洛伦兹变换，通过引入长度收缩和时间膨胀的假设，来解释光速不变现象，但他并没有从根本上摒弃绝对时空观；法国数学家亨利・庞加莱也对相对性原理进行了深入研究，提出了一些前瞻性的观点，但他们的理论都没有带来革命性的改变，只能称为 “改良”。

        1905 年，年仅 26 岁的爱因斯坦，在瑞士伯尔尼专利局担任三级技术员。

        在繁重的工作之余，他凭借着独特的思维能力和对科学的深刻理解，利用当时现有的材料得出了与所有人不同的结论。爱因斯坦并没有被传统的绝对时空观所束缚，他大胆地提出了两个全新的原理。

        首先，他把光速不变上升为一个基本原理，即真空中的光速在所有惯性参考系中都保持恒定，与光源和观察者的运动状态无关。其次，他认为相对性原理应该是一个普遍性的原理，不应只适用于力学，也应该适用于电磁力学等所有物理现象。于是，他将伽利略相对性原理加以推广，提出了狭义相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中都具有相同的形式。然后，爱因斯坦将这两个原理相结合，创立了狭义相对论。

        从表面上看，光速不变原理和相对性原理似乎是相互抵触的。这是因为伽利略相对性原理是个不精确的不完善的相对性，它一直没有摆脱绝对时空观的控制或者说利用。说到底它只是一个空间相对性原理，而没有考虑时间的相对性，因此它才不适用于电磁作用方面。

        为了更直观地理解这一点，我们可以想象一个思想实验：假设有一列高速行驶的火车，在火车上有一个人向车头方向发射一束光。按照伽利略相对性原理，站在地面上的观察者会认为光的速度是光速 C 加上火车的速度，但实际情况并非如此，无论是火车上的观察者还是地面上的观察者，测量到的光速都是 C。

        时空的相对性与运动速度有着密切的关系。在低速时，时间的相对性并不明显，因此伽利略相对性原理还是正确的，经典力学能够很好地描述物体的运动。但当物体的运动速度接近光速时，时间和空间的相对性就会变得十分显著。爱因斯坦通过狭义相对论的公式揭示了这种关系，如时间膨胀公式。

        如果考虑上时间的相对性，相对性原理就完全适用于电磁作用。光速不变原理正是时间和空间都具有相对性的结果，因而也否定了绝对时空观，否定了绝对静止参考系的存在。反过来也可以讲，正是由于光速不变原理的存在，才使时空的相对性体现出来。

        由此可见，光速和时空有着深刻的本质联系，光速是时空的属性。相对于不同的参考系时空是不同的，但光速对于任何参考系却是相同的，这不但说明光的传播不需要特殊的绝对静止的介质或任何别的介质，而且光速的大小也不相对于特殊的绝对静止的参照物或任何别的参照物。

        光只和时空联系在一起，同一束光的速度在不同参考系的不变如同同一个时空在不同参考系的不同，正因为时空的相对不同，才使得光速不变。所以如果非要说光的传播介质是什么？那就是相对的时空。如果非要说光速的参照物是谁？那就是相对的时空
        最后，由于光速问题的复杂性，除了时空，不但没有任何东西能做光速的参照物，反过来光速也不会做任何东西的参照物。那些认为人相对于光是光速的想法是要不得的，因为这完全违背了狭义相对论中光速不变和时空相对性的基本原理。

        光速问题的研究历程，是人类对自然界认识不断深化的一个缩影。从最初对 “以太” 的执着追寻，到狭义相对论的革命性突破，科学家们在探索的道路上不断挑战传统思维，突破认知边界。

        时至今日，光速不变原理依然是现代物理学的基石之一，它不仅深刻影响了理论物理的发展，也在实际应用中发挥着重要作用，如全球定位系统（GPS）就必须考虑狭义相对论和广义相对论带来的时间膨胀效应，才能实现精准定位。随着科学技术的不断进步，我们相信人类对光速以及时空本质的认识还将继续深入，揭开更多宇宙的奥秘。

三、物理化和物质化动态时空

        经典力学以物质粒子(质点)概念为基础，物质粒子具有惯性和引力效应。电磁理论以带电粒子伴随电场以及带电粒子振荡(加速运动)产生电磁辐射(电磁波)为基础，量子力学以粒子波动性为基础，狭义相对论以光速不变或光速极限为基础，广义相对论以惯性质量等于引力质量为基础。狭义与广义相对论把物体运动和质量能量与数学化时空关联起来，时间和空间构成四维时空，突破了牛顿绝对时间和绝对空间，显露出时空具有相对性，广义相对论以物体质量和能量导致时空弯曲解释了引力。

       大爆炸宇宙学认为宇宙初始大爆炸出现物质粒子与时空以及引发宇宙膨胀，并假定起初有暴胀阶段，假定存在大量暗物质和暗能量，用以分别解释星系旋转曲线疑难和宇宙加速膨胀疑难。由量子场论计算的宇宙学常数竟比实际观测值大120个数量级，至今无解。

       爱因斯坦认为并不是物体存在于空间，而是物体具有空间广延性，空间有无限多个，这些空间彼此在相对运动；牛顿猜想引力源于物体质量辐射某种“精气”弥漫在空间而产生的，其强度与到质量中心的距离平方成反比；德布罗意提出物质粒子具有内在的周期性因素，物质粒子运动伴随着物质波。结合牛顿、爱因斯坦和德布罗意的物理思想观念，可以进一步探讨物质粒子波动性的本质及其演生时空与惯性起源和引力机制。

       为了探索物质粒子波动性的物理机制、惯性起源和引力机制，解决物理学基本方程时间反演不变性与熵增和宇宙膨胀演化的矛盾，解决物质粒子的惯性同可能实体波动性的矛盾等，在实验观测结果和理论深入研究的基础上，朱林提出了物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，自然地揭示了粒子波动性的物理机制、时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成以及惯性起源与引力机制，系统地解决包括宇宙膨胀及加速膨胀和星系旋转曲线疑难在内的一系列物理学疑难问题，推得空间本底速度为光速c和惯性质量等于引力质量，推得普朗克长度，赋予哈勃常数更普遍意义，给出引力常数与哈勃常数和光速的关联，给出精细结构常数和黑洞新的物理含义，从而使牛顿经典力学与现代物理学密切衔接起来，给出经典力学、量子力学、狭义与广义相对论、宇宙膨胀理论和地球膨胀学说共同的物理基础和物质基础，给出广义相对论场方程与哈勃宇宙特征引力和惯性力以及微观普朗克物理量全息性关联，得到宇宙膨胀尺度随时间的变化关系与爱因斯坦宇宙学常数居于主导作用下的弗里德曼方程的解一致，与德西特时空一致。

       与麦克斯韦引入位移电流概念建立麦克斯韦方程组，并得到电磁波方程类似，物质粒子辐射空间本底量子新概念，可以系统地推得微观宏观和宇观核心物理公式，构成物质运动基本规律方程组，并推得质量波方程、质量扩散方程、物质波波动传播方程。共推得新旧物理公式82个，尝试解决物理学及相关疑难70个，作出52项预测，且已有部分预测得到相应观测结果的检验验证，包括1996年预测宇宙加速膨胀以及后来预测在最遥远的星空将观测到成熟星系和超大质量黑洞等。