第20章 法拉第、麦克斯韦和赫兹
《科学中的革命-美-科恩》作者：科学中的革命-美-科恩 2017-04-13 11:59
19世纪，在物理学中产生了许多革命性的进步，尽管这些进步——无论就其科学内容或思想内容来说——没有哪一个像达尔文革命那样产生过世界性的影响。19世纪物理学所取得的成功，包括新的能量学说及能量守恒定律，光的波动说，气态运动论和统计力学，电流定律，磁学和电磁学理论，电动机和发电机原理，新的光谱（分光）学说，关于辐射和吸收热量的发现，把辐射扩展到红外线和紫外线辐射，以及其他许多诸如此类的进步等等。但是，多数物理学家以及现代物理学的新一代历史学家一致认为，其中最深刻的一场革命——即使不是唯一的最深刻的革命——是以麦克斯韦的理论而著称的革命——人们有时把这场革命归功于麦克斯韦和迈克尔·法拉第，而且有时也被人们比较公正地归功于法拉第，麦克斯韦和海因利希·赫兹三人。麦克斯韦革命的重要性在于，它不仅对电、电磁和光的理论作了根本的修正，而且是对牛顿的自然科学的思想体系的第一次大规模的修正。
虽然这次革命的某些特点可以被所有读者理解，但是，麦克斯韦思想的核心或精髓，甚至对于许多受过物理学训练的历史学家来说，也是难以把握的。这里的一个主要问题是要弄清楚迈克尔·法拉第的思想与麦克斯韦所发展了的理论之间的联系。毫无疑问，法拉第的贡献是极为重要的，其中包括他关于磁场是由力线组成的重要概念以及关于电磁感应的传导并不是瞬间完成的而是需要时间的非凡的见识。不过，法拉第从根本上说是非定量的和非数学的系统表达并没有产生他所说的传导时间的一个数值。在他的《论法拉第的力线》一文中，麦克斯韦极力赞颂法拉第的含蓄的思想，并且更进一步说，“虽然完全清楚地知道空间、时间和电（磁）力的基本形式，但是，也许是为了科学的利益，法拉第并没有成为一个职业数学家”。法拉第“用自然的非技术的语言”表述了他的思想，而且，——麦克斯韦说——“我写作这篇论文主要是期望使这些思想成为一种数学方法的基础”。所有研究过这一学科历史的人们都告诫我们，如果把麦克斯韦的“贡献仅仅看作是在阐释方面的贡献，那么就会严重低估它的价值”（特里克尔，1966，102）。正如M．普朗克曾经雄辩地指出的，“麦克斯韦具有丰富的想象力和数学见识。他远远超出了他曾对其观点进行概括、归纳并使之更为准确的法拉第”。麦克斯韦“因此创造了一种理论，这种理论不仅可以与被公认为正确的电和磁的理论相比拟，而且最终完全超越了它们”（1931，57）。
历史学家以及具有历史意识的科学家们一致认为，如果麦克斯韦在创立一种数学理论的过程中没有对法拉第的思想进行深刻改造，法拉第的那些论文可能永远不会引起一场革命——因此我们也可以称麦克斯韦的数学理论为法拉第．麦克斯韦理论。麦克斯韦不仅把法拉第的思想改造成为具有数学形式的思想，而且发展了一种把静电学和电磁学的基本原理与光速联系在一起的量的表达方式——这一成就使电磁理论的道理更为明晰，并且开辟了通过电磁波的实际生成而进行实验检测的可能性。承认法拉第在麦克斯韦思想形成和发展过程中的作用，强调了产生麦克斯韦的理论的创造性的转变过程，但是决没有减低或轻视麦克斯韦对麦克斯韦革命的重要贡献。就威廉·汤姆森对这场革命的贡献来说（见下文），这甚至是更为真实的，因为，“汤姆森非凡的才华产生的是有说服力的非系统的见识，而不是完满的理论”（埃弗里特1974，205）。通过运用汤姆森形象化地描述电的现象的方法以及汤姆森“把能量原理运用到电学之中”的结果，麦克斯韦才能够认识到它们的重要性。
麦克斯韦在1855—1856，1861－1862，1863，1864和1865年发表的一系列论文中发展了自己的思想，而且在1873年的《论电和磁》一文中，这些思想基本最终形成。但是，在此后几年，这一革命性的新的学说仍然只是理论上的一场革命，而且，只是当海因利希·赫兹的工作证实电磁波之后，它才成为科学中的一场革命。由于这一原因，这场革命有时被人们称为法拉第-麦克斯韦-赫兹革命；甚至那些探讨麦克斯韦的革命性工作的人们也都指出，这场革命并不是麦克斯韦一个人所引起的革命。例如，阿尔伯特·爱因斯坦讨论了“将永远同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字联系在一起的伟大变革”（1953，161；1954，268）。但是，他又立刻补充说，“麦克斯韦对这场革命作出了最大最重要的贡献”。在另外一个场合，他则无意中忽略了赫兹，而且只是提到“法拉第和麦克斯韦在电动力学和光学中所引起的革命”；他说，这场革命是“自牛顿以来，理论物理学中第一个伟大的重要的进步”（1953，154－155；1954，257）。但是，爱因斯坦在他的自传中仅仅谈到“麦克斯韦的理论”，并且说，在他还是一个学生的时候，这一理论就显得是“革命性的”理论（希尔普，1949）。
麦克斯韦对法拉第思想的改造
这一改造过程可以在麦克斯韦著名的论文“论物理中的力线”中看到。在讨论法拉第关于在某个存在磁力线的空间中必定存在某种应力的思想时，麦克斯韦实际上在开始提出了这样一个问题：空间要展现法拉第的假设所需要的实际的应力分配，究竟需要哪一种传导体呢？C．W．F．埃弗里特追溯了麦克斯韦用以吸取苏格兰工程师W．J．M．兰金的思想以及威廉·汤姆森（开尔文勋爵）的结论从而创立自己关于物理中的力线的理论的途径。在这里我们可以看到对科学思想作权威改造的过程的要素，这一改造产生出一种全新的思想，电可以“通过空间传播”，而且不一定仅仅是“局限于导管的一种流体。麦克斯韦在他的论文的结论中谈到人们所说的一个“惊人的发现”——这个新提出的导体的振动不仅将证明磁力线，而且也将具有与光同样的性质”。麦克斯韦用斜体字的方式表达了他的结果与众不同的特点。他写道（1890，1：500），我们“几乎不可能回避这样一个推论：光是一种介质中的横向波动，这种介质也是电磁现象的起因。
但是，甚至就此而言，麦克斯韦思想的萌芽也可以在法拉第的一篇值得注意的论文——载入1846年5月《哲学杂志》中的一篇题为“对光线一振动的若干思考”的论文——中找到。在这篇论文中，法拉第提出，关于“辐射是力线中一种高级形式的振动”的大胆看法，是“一种思辨的影子”。在这篇论文中可能最使我们感兴趣的是——正如西尔维纳斯，P．汤普森在1900年（p．193）指出的——它没有引起人们多大的注意，甚至比较早地为法拉第写传记的人也都没有注意这篇论文。因为这些人是在麦克斯韦的光的电磁理论被普遍承认之前写作传记的，所以他们在其中还尚未认识到人们后来赋予它的重要性。约翰·廷德尔（1868）把法拉第的思索仅仅看作是“曾经由一位科学家所进行的最卓越的思辨之一”而不予考虑。亨利·本斯·琼斯在1870年只是用半行字顺便提到过它。约翰·霍尔·格拉德斯通在1872年甚至都没有提及它。但是，麦克斯韦后来说，“横向磁场干扰的传播排斥正常磁场的看法显然是法拉第教授在他的‘对光线一振动的若干思考’（1890，1：535）中提出来的”。在麦克斯韦看来，“他[法拉第]提出的光的电磁理论，实质上与我在这篇论文中开始展开的理论是同一理论，只是在1846年没有任何数据测算传播的速度”。我同意C.W.F.埃弗里特的看法，即对麦克斯韦对法拉第“对光线振动的若干思考”所作的评论要有所保留，因为，那篇论文的“任何直接的影响”在麦克斯韦思想的发展过程中都可以清楚地看出。“这些评论是在事后几年作出的，而且是麦克斯韦堂吉河德式的慷慨的一个例证。他在那时与法拉第和汤姆森的信件中的评论并未表示出任何这样的影响”。
在关于麦克斯韦对物理学的贡献的一篇评论（1896，204205）中，R．T．格莱兹布鲁克提请人们注意麦克斯韦理论的五个基本特点并且“承认，在麦克斯韦所处的时代，没有多少关于它们的直接证据”。麦克斯韦所作的最大胆的设想之一就是，维持光波的同一种介质必定能够成为电磁场中的介质。他断言，在空间中必定存在电磁波．而且，作为空间分析方面的一位先驱，麦克斯韦指出，把电的单位即静电单位和电磁单位的两种系统联结在一起的因素是一种速率，而已事实上有一个非常接近光速的数值、这意味着，光本身就是一种电磁现象，是一连串的电磁波。麦克斯韦在1864年想说、数字的结果似乎“揭示了光和磁是同一种物质的作用，而且，光是一种根据电磁规律通过场传播的电磁干扰。”
马克斯·普朗克（1931，57）在这个见识中看到了对“评价一种理论的标准”的最可行的说明和例证。“它真正解释了除那些它以此为基础的现象之外的其他现象”。普朗克没想，无论是法拉第还是麦克斯韦“最初都没有联系他们对电磁学基本定律的考察来考虑成研究光学”，但是，“一百多年来激起来自力学方面的抨击的整个光学领域却被麦克斯韦的《电磁场的动力学理论》一举证服了”，所以，“从那时以来，每一种光学现象都可被直接视为一个电磁学的问题”。对普朗克来说、“在任何时候，这都将是人类理智的努力的最伟大的凯旋”之一。
海因利希·赫兹的贡献
因而这里是一个检验——不仅要看看电磁波是否可以产生出来，而且要弄清楚它们是否有光的速度。这样，我们就可以理解海因利希·赫兹在直到1888年的那些岁月里所进行的一系列实验的重要性；他的这些实验最终证实了麦克斯韦理论的预言。赫兹不仅生产出了电磁波，并且（通过测量已知频率的驻波的波长）发现广电磁波的速度；他通过实验表明，这些电磁波在反射、折射和极化等特点方面与光相似，而且，它们是可以被聚焦的。赫兹本人把这一理论看作是“麦克斯韦在法拉第观点的基础上创立的并且我们称其为法拉第-麦克斯韦理论的一种理论”（1893，19）。
赫兹的贡献并不仅仅是计划并实施了一个机敏的实验，虽然这个实验的成就是巨大的。他还表明，他的实验作为“对一个假定的远距离活动的有限传播的第一个证明”是多么重要。（麦科马克，1972，345）。因此，他的实验的作用在于使物理学家们关于电磁学的观点实现了从“远距离的瞬间活动”向“麦克斯韦关于电磁过程是在电介体中发生的，以及一种电磁以太包含着比较古老的发光的以太的功能的看法”的根本转变（同上）。但是，要完成这一革命，赫兹还必须清楚地阐明，“当物理学家们自称麦克斯韦的追随者时”，“他们所赞成的是什么理论”。（关于这一点，可参见麦科马克在第346页上所作的精彩概括，尤其是关于赫兹对麦克斯韦的“向量电势”的论述的探讨。）最后，他除去了这一理论的某些“不必要地使形式主义复杂化”的物理学的特点（1893，21），并且（在他的《电波》一作的导言中）断言，“麦克斯韦的理论”不过是“麦克斯韦的方程式体系”。由于对麦克斯韦理论的接受，尤其是在欧洲大陆对这一理论的采纳，都是遵循赫兹提出的思路，所以我们就可以理解，为什么爱因斯坦和其他一些人在讨论这场革命时把赫兹的大名也包括在内。
由于许多原因，麦克斯韦的理论是难以接受和理解的。第一，它在概念上是创新的，拥有诸如“位移电流”这样一些激进的概念。第二，麦克斯卡不只是把这一理论看作是对新的原理的数学上的精炼或推敲，而且也是根据物理学的型式提出来的。首先，这些新的原理体现在诸如嵌齿轮和滑车等机械装置中；他的真诚的追慕者格莱兹布鲁克禁不住把一个“多少有些粗俗的看法”引入到这些装置之中（1896，166），尽管他确实强调这些装置对于它们的创造者来说只是“一个型式”。麦克斯韦从未完全放弃旋转的电子管和以太的涡旋。在他的《电和磁》中（2：&831；1881，2：428），他写道，“磁力是涡旋的离心力的作用”，而“电动势”则是“加于起联结作用的结构的应力”的结果。法国数学家亨利·彭加勒对于麦克斯韦的理论持有鲜明的态度（见下文）。他禁不住介绍了一本书，即《麦克斯韦理论和光的电磁理论讲演录》（1890，V），目的在于表明，当“一位法国读者第一次打开麦克斯韦的书的时候”，一种不安甚至通常是疑惑的感觉如何与他的赞美交织在一起。在另一部著作（1899；英译本1904，2）中，彭加勒承认，麦克斯韦归之于以太的“
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虽然这次革命的某些特点可以被所有读者理解，但是，麦克斯韦思想的核心或精髓，甚至对于许多受过物理学训练的历史学家来说，也是难以把握的。这里的一个主要问题是要弄清楚迈克尔·法拉第的思想与麦克斯韦所发展了的理论之间的联系。毫无疑问，法拉第的贡献是极为重要的，其中包括他关于磁场是由力线组成的重要概念以及关于电磁感应的传导并不是瞬间完成的而是需要时间的非凡的见识。不过，法拉第从根本上说是非定量的和非数学的系统表达并没有产生他所说的传导时间的一个数值。在他的《论法拉第的力线》一文中，麦克斯韦极力赞颂法拉第的含蓄的思想，并且更进一步说，“虽然完全清楚地知道空间、时间和电（磁）力的基本形式，但是，也许是为了科学的利益，法拉第并没有成为一个职业数学家”。法拉第“用自然的非技术的语言”表述了他的思想，而且，——麦克斯韦说——“我写作这篇论文主要是期望使这些思想成为一种数学方法的基础”。所有研究过这一学科历史的人们都告诫我们，如果把麦克斯韦的“贡献仅仅看作是在阐释方面的贡献，那么就会严重低估它的价值”（特里克尔，1966，102）。正如M．普朗克曾经雄辩地指出的，“麦克斯韦具有丰富的想象力和数学见识。他远远超出了他曾对其观点进行概括、归纳并使之更为准确的法拉第”。麦克斯韦“因此创造了一种理论，这种理论不仅可以与被公认为正确的电和磁的理论相比拟，而且最终完全超越了它们”（1931，57）。
历史学家以及具有历史意识的科学家们一致认为，如果麦克斯韦在创立一种数学理论的过程中没有对法拉第的思想进行深刻改造，法拉第的那些论文可能永远不会引起一场革命——因此我们也可以称麦克斯韦的数学理论为法拉第．麦克斯韦理论。麦克斯韦不仅把法拉第的思想改造成为具有数学形式的思想，而且发展了一种把静电学和电磁学的基本原理与光速联系在一起的量的表达方式——这一成就使电磁理论的道理更为明晰，并且开辟了通过电磁波的实际生成而进行实验检测的可能性。承认法拉第在麦克斯韦思想形成和发展过程中的作用，强调了产生麦克斯韦的理论的创造性的转变过程，但是决没有减低或轻视麦克斯韦对麦克斯韦革命的重要贡献。就威廉·汤姆森对这场革命的贡献来说（见下文），这甚至是更为真实的，因为，“汤姆森非凡的才华产生的是有说服力的非系统的见识，而不是完满的理论”（埃弗里特1974，205）。通过运用汤姆森形象化地描述电的现象的方法以及汤姆森“把能量原理运用到电学之中”的结果，麦克斯韦才能够认识到它们的重要性。
麦克斯韦在1855—1856，1861－1862，1863，1864和1865年发表的一系列论文中发展了自己的思想，而且在1873年的《论电和磁》一文中，这些思想基本最终形成。但是，在此后几年，这一革命性的新的学说仍然只是理论上的一场革命，而且，只是当海因利希·赫兹的工作证实电磁波之后，它才成为科学中的一场革命。由于这一原因，这场革命有时被人们称为法拉第-麦克斯韦-赫兹革命；甚至那些探讨麦克斯韦的革命性工作的人们也都指出，这场革命并不是麦克斯韦一个人所引起的革命。例如，阿尔伯特·爱因斯坦讨论了“将永远同法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字联系在一起的伟大变革”（1953，161；1954，268）。但是，他又立刻补充说，“麦克斯韦对这场革命作出了最大最重要的贡献”。在另外一个场合，他则无意中忽略了赫兹，而且只是提到“法拉第和麦克斯韦在电动力学和光学中所引起的革命”；他说，这场革命是“自牛顿以来，理论物理学中第一个伟大的重要的进步”（1953，154－155；1954，257）。但是，爱因斯坦在他的自传中仅仅谈到“麦克斯韦的理论”，并且说，在他还是一个学生的时候，这一理论就显得是“革命性的”理论（希尔普，1949）。
麦克斯韦对法拉第思想的改造
这一改造过程可以在麦克斯韦著名的论文“论物理中的力线”中看到。在讨论法拉第关于在某个存在磁力线的空间中必定存在某种应力的思想时，麦克斯韦实际上在开始提出了这样一个问题：空间要展现法拉第的假设所需要的实际的应力分配，究竟需要哪一种传导体呢？C．W．F．埃弗里特追溯了麦克斯韦用以吸取苏格兰工程师W．J．M．兰金的思想以及威廉·汤姆森（开尔文勋爵）的结论从而创立自己关于物理中的力线的理论的途径。在这里我们可以看到对科学思想作权威改造的过程的要素，这一改造产生出一种全新的思想，电可以“通过空间传播”，而且不一定仅仅是“局限于导管的一种流体。麦克斯韦在他的论文的结论中谈到人们所说的一个“惊人的发现”——这个新提出的导体的振动不仅将证明磁力线，而且也将具有与光同样的性质”。麦克斯韦用斜体字的方式表达了他的结果与众不同的特点。他写道（1890，1：500），我们“几乎不可能回避这样一个推论：光是一种介质中的横向波动，这种介质也是电磁现象的起因。
但是，甚至就此而言，麦克斯韦思想的萌芽也可以在法拉第的一篇值得注意的论文——载入1846年5月《哲学杂志》中的一篇题为“对光线一振动的若干思考”的论文——中找到。在这篇论文中，法拉第提出，关于“辐射是力线中一种高级形式的振动”的大胆看法，是“一种思辨的影子”。在这篇论文中可能最使我们感兴趣的是——正如西尔维纳斯，P．汤普森在1900年（p．193）指出的——它没有引起人们多大的注意，甚至比较早地为法拉第写传记的人也都没有注意这篇论文。因为这些人是在麦克斯韦的光的电磁理论被普遍承认之前写作传记的，所以他们在其中还尚未认识到人们后来赋予它的重要性。约翰·廷德尔（1868）把法拉第的思索仅仅看作是“曾经由一位科学家所进行的最卓越的思辨之一”而不予考虑。亨利·本斯·琼斯在1870年只是用半行字顺便提到过它。约翰·霍尔·格拉德斯通在1872年甚至都没有提及它。但是，麦克斯韦后来说，“横向磁场干扰的传播排斥正常磁场的看法显然是法拉第教授在他的‘对光线一振动的若干思考’（1890，1：535）中提出来的”。在麦克斯韦看来，“他[法拉第]提出的光的电磁理论，实质上与我在这篇论文中开始展开的理论是同一理论，只是在1846年没有任何数据测算传播的速度”。我同意C.W.F.埃弗里特的看法，即对麦克斯韦对法拉第“对光线振动的若干思考”所作的评论要有所保留，因为，那篇论文的“任何直接的影响”在麦克斯韦思想的发展过程中都可以清楚地看出。“这些评论是在事后几年作出的，而且是麦克斯韦堂吉河德式的慷慨的一个例证。他在那时与法拉第和汤姆森的信件中的评论并未表示出任何这样的影响”。
在关于麦克斯韦对物理学的贡献的一篇评论（1896，204205）中，R．T．格莱兹布鲁克提请人们注意麦克斯韦理论的五个基本特点并且“承认，在麦克斯韦所处的时代，没有多少关于它们的直接证据”。麦克斯韦所作的最大胆的设想之一就是，维持光波的同一种介质必定能够成为电磁场中的介质。他断言，在空间中必定存在电磁波．而且，作为空间分析方面的一位先驱，麦克斯韦指出，把电的单位即静电单位和电磁单位的两种系统联结在一起的因素是一种速率，而已事实上有一个非常接近光速的数值、这意味着，光本身就是一种电磁现象，是一连串的电磁波。麦克斯韦在1864年想说、数字的结果似乎“揭示了光和磁是同一种物质的作用，而且，光是一种根据电磁规律通过场传播的电磁干扰。”
马克斯·普朗克（1931，57）在这个见识中看到了对“评价一种理论的标准”的最可行的说明和例证。“它真正解释了除那些它以此为基础的现象之外的其他现象”。普朗克没想，无论是法拉第还是麦克斯韦“最初都没有联系他们对电磁学基本定律的考察来考虑成研究光学”，但是，“一百多年来激起来自力学方面的抨击的整个光学领域却被麦克斯韦的《电磁场的动力学理论》一举证服了”，所以，“从那时以来，每一种光学现象都可被直接视为一个电磁学的问题”。对普朗克来说、“在任何时候，这都将是人类理智的努力的最伟大的凯旋”之一。
海因利希·赫兹的贡献
因而这里是一个检验——不仅要看看电磁波是否可以产生出来，而且要弄清楚它们是否有光的速度。这样，我们就可以理解海因利希·赫兹在直到1888年的那些岁月里所进行的一系列实验的重要性；他的这些实验最终证实了麦克斯韦理论的预言。赫兹不仅生产出了电磁波，并且（通过测量已知频率的驻波的波长）发现广电磁波的速度；他通过实验表明，这些电磁波在反射、折射和极化等特点方面与光相似，而且，它们是可以被聚焦的。赫兹本人把这一理论看作是“麦克斯韦在法拉第观点的基础上创立的并且我们称其为法拉第-麦克斯韦理论的一种理论”（1893，19）。
赫兹的贡献并不仅仅是计划并实施了一个机敏的实验，虽然这个实验的成就是巨大的。他还表明，他的实验作为“对一个假定的远距离活动的有限传播的第一个证明”是多么重要。（麦科马克，1972，345）。因此，他的实验的作用在于使物理学家们关于电磁学的观点实现了从“远距离的瞬间活动”向“麦克斯韦关于电磁过程是在电介体中发生的，以及一种电磁以太包含着比较古老的发光的以太的功能的看法”的根本转变（同上）。但是，要完成这一革命，赫兹还必须清楚地阐明，“当物理学家们自称麦克斯韦的追随者时”，“他们所赞成的是什么理论”。（关于这一点，可参见麦科马克在第346页上所作的精彩概括，尤其是关于赫兹对麦克斯韦的“向量电势”的论述的探讨。）最后，他除去了这一理论的某些“不必要地使形式主义复杂化”的物理学的特点（1893，21），并且（在他的《电波》一作的导言中）断言，“麦克斯韦的理论”不过是“麦克斯韦的方程式体系”。由于对麦克斯韦理论的接受，尤其是在欧洲大陆对这一理论的采纳，都是遵循赫兹提出的思路，所以我们就可以理解，为什么爱因斯坦和其他一些人在讨论这场革命时把赫兹的大名也包括在内。
由于许多原因，麦克斯韦的理论是难以接受和理解的。第一，它在概念上是创新的，拥有诸如“位移电流”这样一些激进的概念。第二，麦克斯卡不只是把这一理论看作是对新的原理的数学上的精炼或推敲，而且也是根据物理学的型式提出来的。首先，这些新的原理体现在诸如嵌齿轮和滑车等机械装置中；他的真诚的追慕者格莱兹布鲁克禁不住把一个“多少有些粗俗的看法”引入到这些装置之中（1896，166），尽管他确实强调这些装置对于它们的创造者来说只是“一个型式”。麦克斯韦从未完全放弃旋转的电子管和以太的涡旋。在他的《电和磁》中（2：&831；1881，2：428），他写道，“磁力是涡旋的离心力的作用”，而“电动势”则是“加于起联结作用的结构的应力”的结果。法国数学家亨利·彭加勒对于麦克斯韦的理论持有鲜明的态度（见下文）。他禁不住介绍了一本书，即《麦克斯韦理论和光的电磁理论讲演录》（1890，V），目的在于表明，当“一位法国读者第一次打开麦克斯韦的书的时候”，一种不安甚至通常是疑惑的感觉如何与他的赞美交织在一起。在另一部著作（1899；英译本1904，2）中，彭加勒承认，麦克斯韦归之于以太的“