欧洲史话 168 电磁内燃双革命，化学生物两科学

大家好，我是枫落白衣，我们说既然麦克斯韦整出来的这玩意叫方程组，那肯定不是一个方程，事实也是如此，它最初由八个方程组成，后来精简到四个，分别表述了高斯定律、高斯磁定律、法拉第感应定律和麦克斯韦-安培定律。

一、集大成者麦克斯韦

你一听名字就知道了，麦克斯韦虽然是集大成者，但这里面大多数是别人发现的定律，其中有一半，和一个叫高斯的家伙有关。

高斯的全名叫卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss），出生于1777年的德意志不伦瑞克公国，是人类有史以来最天才的数学家，甚至都没有之一，所以人家在历史上有一个响当当的外号，叫“首席数学家”。

这里有一个小故事，足以说明此人天才到何种程度。据说他9岁那年，有一天中午，老师在黑板上留了一道数学题，说做完了才可以回家，这道题是求从1到100所有自然数的和，也就是1+2+3+4等等等，一直加到100。这个老师可能是这么打算的，整整一下午，小学生们全都会趴在桌子上拼命算数，自己就可以在前面看手机刷抖音了，可让他万万没想到的是，仅仅几分钟后，小高斯就站了起来：老师，答案是5050。说完之后，在一脸懵圈的老师面前，扬长而去。

他的方法一点都不复杂，因为1+100，2+99，3+98等等，一路这样加下去，都是101，沿着这个思路，所谓1到100自然数求和，只不过是50个101而已，结果自然就是5050。

几分钟之内，就可以想到这个算法，确实是神童，想想我9岁的时候，刚整明白一根糖葫芦上有几个山楂，这就是差距。

长大之后的高斯，不仅在数学上有无数多的贡献，在天文学、大地测量学和物理学上也有极其牛掰的发现，至少，这个影响了人类历史的麦克斯韦方程组里面，有两个，就是以他的名字命名的，这就是明证。

麦克斯韦方程组的最后一个之所以叫做麦克斯韦·安培定律，是因为这个定律虽然是法国科学家安培（André-Marie Ampère）率先提出来的，并且今天电流的单位也以安培的名字命名，但真正把这个定律完善并推导出来的，确实是麦克斯韦，这一点就不像是前三个公式，是别人提出来概念，麦克斯韦在数学上进行归纳总结。

那么，麦克斯韦方程组究竟为啥名气这么大？简单一句话，它统一了电和磁之间的关系，变化的磁场会产生电流，而变化的电流也会产生磁力，用这个方程组就可以定性定量地进行计算。从古至今，能和这件事媲美的，可能只有两个人，一个是在麦克斯韦之前的牛顿，统一了力和运动的关系，另一个就是麦克斯韦之后的爱因斯坦，把质量和能量统一了。

不仅如此，根据这个方程组，麦克斯韦还成功预言了电磁波（Electromagnetic radiation）的存在，他说，一个电场和一个磁场在相互垂直的情况下，应该会在空间里产生一种波，这种波可以携带能量和动量，在严密的数学推理之后，他得出了一个惊人的结论，那就是这种被他称为电磁波的玩意，拥有和光一样的速度，换句话说，光的本质可能就是电磁波。

原来，《圣经》里的上帝说要有光，就是要有电磁波，这就是我们老麦方程组的结论。

二、电磁波、无线电报、发电机、电动机、内燃机等：人类进入第二次工业革命

遗憾的是，麦克斯韦并没有做实验产生真正的电磁波，干成这件事的，是比他小了26岁的德意志汉堡物理学家海因里希·赫兹（德语：Heinrich Hertz），此人在1887年首次用实验的方法证实了电磁波的存在，后世的人为了纪念他，就把电磁波频率的计量单位称为赫兹（Hz）。

在赫兹之后，人类陆陆续续发现了包括太阳光在内的整个电磁波家族，把它们的频率从低到高排序，分别是无线电波、兆赫辐射、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等主要成员。这里面的可见光，就是我们日常生活中说的光，赤橙黄绿青蓝紫，它仅仅占了整个电磁波家族的极小极小的一部分。

也正是因为电磁波的发现，才导致意大利的工程师古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）在1894年发明了无线电报，在他之前，虽然美国人发明了电报，但那个是需要电报线进行传播的，想当年美国人修个太平洋铁路，最重要的一个附加设备就是沿路铺设电报线，累得要死要活的，万一断了，等于白干，现在就好了，不用线就可以传递信息了。

电磁先驱法拉第同学没干成的第二件事，就是没有制造出来百姓可以使用的发电机，这事儿麦克斯韦也没搞成，真正用电磁学造福人类的，是一个叫做西门子的人。

维尔纳·冯·西门子（Werner von Siemens），1816年生于德意志地区的汉诺威，也是英国王室的老家。我们说过，欧洲各国人名字中间的这个字，德意志是“冯”，法国是“德（De）”，荷兰是“范（Van）”，意大利是“达（Da）”，西班牙是“唐（Don）”，比如说堂吉诃德，实际上就应该是唐·吉诃德。

上面所有这些单字，都只有一个意思，就是表示来自哪里，用咱中国人的话说叫籍贯。本来呢，它就是用来区分同名之人的，只不过因为贵族们经常出门，人脉广，认识的人多，社会关系网比较大，他们必须使用这个字来区分彼此的机会，就远远大于一个一辈子也走不出村子的农民，这就导致了现在一些人说这个字是贵族专用的，实际上不是的，至少对于西门子这家伙来说，它就不是，因为此人家里祖祖辈辈都是农民。

虽然是农民出身，家里并不富裕，但西门子的爹曾经受过高等教育，还上过战场和拿破仑的军队打过仗，作为一名有文化的农民，对他和媳妇儿生下的12个孩子要求就相当地严，基本上，孩子们都上过学，其中西门子的成绩最好，只不过为了补贴家用，这哥们上完中学就去当兵了，至少，可以让家里少一张吃饭的嘴。

有句话说，是金子总会闪亮的，退役之后，西门子对电气产生了极大的兴趣，并且在1847年成立了西门子与哈尔斯克电报建设公司，也就是今天大名鼎鼎的西门子公司前身（德语：SIEMENS AG）。

1866年，可以用作商用的交流发电机和直流发电机同时在西门子的公司诞生，直流发电机今天已经被淘汰，同时今天的交流发电机也已经是后来由美国牛人特斯拉发明的高频发电机了，但这个世界上，人类的第一台发电机诞生在西门子手里，却是不争的事实。

也正是因为有了发电机，5年之后，比利时的电机工程师齐纳布·格拉姆（Zénobe Gramme）发明了人类的第一台电动机。

发电机发电，电动机干活，这二者的神仙组合，让人类驯服大自然登上了一个新的台阶。你可以想象一下，这是不是就像孙悟空伸手这么一抓，把风的力量，或者水流的力量握在手里，再一拍，送进了千家万户，你家的灯就亮了，电视也打开了，你和你媳妇就可以美滋滋地躺在被窝里读书看电影了？

前面我们说过，蒸汽机的发明和改良，诞生了工业革命，严格来说，那只能算是第一次工业革命，现在以电动机为标志，全世界进入了所谓的第二次工业革命时代（Second Industrial Revolution）。

很自然地，效率极差的蒸汽机在这第二次工业革命里也得到了更新换代，这就是内燃机的诞生。蒸汽机的效率之所以不高，是因为它的基本原理是把水烧开，产生蒸汽，利用蒸汽去推动机械。换句话说，燃烧产生的能量不能直接用来做功，要经过水蒸汽这个二道贩子，那利润自然打了折扣。1862年的时候，法国的一位叫做艾蒂安·勒努瓦的工程师发明了一种新机器，用当时挖石油产生的副产品天然气为燃料，点燃之后，气缸里面的气体受热膨胀，直接推动机械开始运转，这种新机器就是内燃机（Internal combustion engine），比起像蒸汽机这样的外燃机，它的效率提高的可不是一点半点，没有它，今天现代意义上的汽车、飞机、轮船、火箭等都不可能诞生，因为引擎本质上就是一个内燃机，这个后面我们说到汽车时还会说到。

另外一个在19世纪的第二次工业革命中大放异彩的，是化学。

啥是化学？简单地说，就是变化的学问，一开始的时候，指的是两种或者多种物质遇到之后产生的反应，比如说火的燃烧，从俺们的祖先还在山洞里面发呆的时候，我们就开始使用这玩意，劈里啪啦烧了十几万年了，但一直到1750年，俄罗斯的化学家罗蒙诺索夫（Lomonosov）才第一个观察到，烧成一堆灰之后的物体质量，居然有增加。

这事让法国的一个贵族知道之后，他就来了兴趣，终于在1773年，他解开了燃烧的秘密，向世人宣布，说罗蒙诺索夫是对的，烧完之后，质量是确实增加了，原因是空气中的氧气也参合进来了，而这把烧了十几万年的火，也没啥秘密了，就是一种剧烈的氧化反应，你把燃烧的木头棒子和氧气的质量都算一遍，那烧之前和烧之后肯定是一模一样的，无论烧啥，都遵循这个规律，这就是著名的质量守恒定律（law of conservation of mass），而这位法国贵族，就是“现代化学之父”拉瓦锡（Lavoisier），也是前面我们讲法国大革命时说的那位科学家倒霉蛋，被革命法庭宣布有罪，砍下了脑袋。

在拉瓦锡之后，1766年出生的英国皇家成员道尔顿（John Dalton）又提出了元素的概念，同一种元素，它的原子个数、质量和属性完全相同，最重要的是，道尔顿说大自然里所有物质，请注意是所有物质，都是由基本元素之间的化学反应形成的，迄今为止，他还是对的。

上面所有这一切，最后促成了一件划时代的事件，那就是俄国化学家德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）在1869年发表了元素周期表（Periodic table）。

顾名思义，元素周期表就是给元素排队分位置，门捷列夫老师在做这件事的时候，还在队伍里预留了很多位置，说根据原子的数量和性质，这地方应该也有一位叫某某元素的同学，只是我们还没找到它，换句话说，今天人家请假没来，但明天可能就出现了，那必须给人家留一个座儿。后来陆陆续续地，大家发现这小子居然是对的，那些原本大家不知道的元素都被发掘出来了，小门老师简直和上帝一样，可是此事也透着一丝诡异，要是元素的排列居然是如此规规矩矩，整整齐齐，我们这个世界到底还是不是自然形成的呢？细思极恐。

截止到2016年，这张表上一共有118种元素，其中只有前94种是在地球上自然存在的，剩下的24种，只存在我们做核反应实验之后的产物里，换句话说，它们是基本元素，可能在外星球也是自然存在，但在地球上，对不起，它们活不下来，转瞬即逝，而地球上所有物质，仅仅是94种元素的千变万化而已。

2019年的时候，恰好是门捷列夫这个周期表诞生150年，联合国特意命名这一年是国际元素周期表年，用来庆祝“科学史上最伟大的成就之一”，我们这里也真心地说一句，确实了不起。

三、生物学家巴斯德和达尔文

最后关于19世纪科学我想聊的，是两个人，而且都是生物学方面的，其中一个可以说是家喻户晓，但我们先来说第一个，大家可能不是那么熟悉的，这就是路易·巴斯德先生（法语：Louis Pasteur）。

巴斯德是法国人，出生于1822年，我说的不熟悉，是指他在中国大众里名声不显，实际上，此人在法兰西，名气很大，在2005年法国举行的最伟大法国人评选活动里，巴斯德名列第二位，仅次于后来的戴高乐总统。那么，这哥们做了啥“天怒人怨”的事儿，让法国人记了他200年呢？一句话，他发现了细菌是个大坏蛋。

和我们介绍的大多数天才不一样，巴斯德小时候并没有表现出什么了不起的能力，甚至还有阅读和书写的障碍，但这哥们说了，俺生下来就是为了证明中国那句古老的成语“勤能补拙”。靠着惊人的毅力和勤奋，此人一路绊绊磕磕地从高等学府毕业，甚至在32岁那年，还当上了里尔大学科学院的院长，从此，巴院长就更加努力了，有一句话是他当时经常说，并且后来也流传千古的名句：“机会，只青睐那些有准备的大脑。”

1856年，机会还真的来了，当地一个啤酒制造商的儿子是巴斯德的学生，这个商人有一次一脸困惑地问巴斯德，老师啊，啤酒为啥放时间长了就酸了吧唧的呢？巴斯德又一次发挥了他的勤奋，在日以继夜研究与试验之后，他揭开了这个谜团。

变酸的原因就是细菌，也就是德国科学家艾伦伯格在1828年观察到并且命名的那种“小棍子”（Bacteria），这个词汇来自于拉丁文，本意就是小棍子，现在巴斯德说它也是啤酒变酸的罪魁祸首，没跑了。

那么，这些小棍子来自哪里呢？当时没有人知道，结果是巴斯德用一种鹅颈瓶做了实验，第一次向世界人民宣告，细菌就来自于我们生活的空气里，里面漂浮着大量的“小棍子”，无处不在，随着你一呼一吸，它们也在你身体里面四处游荡。这不仅解释了为啥啤酒变酸，还解释了为啥食物放桌子上两天就变臭了，原因也是被无数个这样的小棍子给污染了。你若是问，那为什么俺又呼又吸，大口大口吞咽这小棍子却没变臭呢？两个原因，一来很多小棍子其实无害，二来你身体里面的免疫功能时时刻刻在为你服务，它们替你干掉了很多有害的小棍子，所以呢，有时间的时候，别忘了对着镜子说声谢谢。

言归正传，有了这个结论，巴斯德就发明了一种办法，把牛奶或者啤酒等食物加热到60到100度，杀死其中大部分的细菌之后，再密封保存，这样一来，保存的时间就大大延长了，因为里面的小棍子少了。1865年，他申请了专利，这就是今天依旧在使用的巴氏灭菌法（Pasteurization）。

另一位19世纪威名赫赫的生物学家大家就很熟悉了，他就是查尔斯·达尔文（Charles Darwin）。

达尔文1809年出生在英格兰和威尔士交界的什罗普郡，相比于其他人，此人投胎的技术十分了得，爷爷和姥爷都是英国著名的大富豪，甚至可以说是对第一次英国工业革命有着举足轻重意义的大资本家。有了这样的家庭，钱是不在话下的，三个字，随便花，至于说难倒了无数穷苦孩子的学费，那自然也是不愁的。

可惜的是，咱们的达尔文同学天生就不爱学习，16岁的时候，在父亲的安排下，虽然进了著名的爱丁堡大学去学医，但几天之后，老爷子就放弃了，我这傻儿子，他就不是那块料啊。于是，这哥们又转入了剑桥大学，开始学神学，死记硬背就行。这一回呢，我们不知道他学得怎么样，但有史料表明，此人也没拿到神学学位，而且他在剑桥的生活，就是我们今天所说的富二代败家仔。没怎么上过课不说，宿舍却要住最高档的，还雇人帮他擦鞋，帮他铺床叠被，帮他搬煤生火，当然，这也不怪达尔文，因为他太忙了，喝酒，抽烟，骑马，捕猎和品尝各种稀奇古怪的野生动物等等这些事儿，实在是太费时间了。

除了这些事情，达尔文当时还有一个爱好，就是他喜欢去野外抓虫子，上瘾到什么程度呢，据说有一次，抓了两只虫子，一手一只正往回走，突然又看见一只相当漂亮的，这哥们一着急，直接把一只虫子含到了嘴里，腾出手去，抓住了新看见的那只。

也许就是这一点，让当时剑桥大学的一名教授看上了他，推荐他去一艘叫做小猎犬号的远航船上当一名自费的随船博物学家。

达尔文一听，可以去整个地球抓虫子，那自然是相当兴奋，马上就答应下来，我去，一定去。可这哥们回家和他爹一说，老爷子这次却不愿意出钱了，这败家儿子长这么大，就没见他干过什么正事。不过在达尔文的软磨硬泡之下，他老爹还是松口了，说你只要找到一个“正常的人”同意你去，我就拿钱。

关键时刻，达尔文的舅舅，另一大家族的掌门人站了出来，说姐夫啊，我看尔文这小子将来能有出息，你就让他去吧，咱们两家还差这点儿钱吗？

就这样，达尔文上了小猎犬号，这一去就是五年，他爹倒也信守承诺，每次都早早地把钱汇到他即将到达的大城市和大港口，不仅如此，这位开明的老爷子在儿子回来之后，还不遗余力地用金钱资助他进行那些“我看不懂的物种研究”。

我们省略中间的过程，经过无数年的努力，达尔文最终在五十岁的这一年，发表了划时代的著作，《物种起源》（On the Origin of Species）。

那么，这本大名鼎鼎的书，为什么或者说怎么样对人类和世界产生了天翻地覆的影响呢？这个，我们下集再聊。