当你扭动钥匙启动汽车，蓄电池中的电流会引发电机内的电磁效应，继而发动引擎。那么你是否想过，到底发生了什么事情，它违背了相对论的萌芽以及现代的时空观。当迈克尔·法拉第在19世纪初进行电学和磁学实验时，没人会想到这将会导致牛顿世界观的颠覆性再进化。如果19世纪有诺贝尔奖的话，法拉第的各种伟大发现足够让他得至少6次诺贝尔奖。而他最为深远的发现当属电场和磁场的神奇交织及互相影响。
发生在你汽车引擎内的现象只是众多例子之一。再比如，突然移动一块磁铁就会产生电力——这就是电磁感应现象，也是发电机的基本原理。变化的磁场产生电场，反之亦然：变化的电场也会产生磁场。地心处的旋转电流形成了地磁场，也正是电场和磁场的交互作用才使得电动机转动起来。
电荷的移动形成电流，而电流能产生磁场。这个理论似乎无懈可击，但“相对什么移动？”成了问题。通常的回答是在你所在的静止惯性系中“相对你”移动。但是如果你现在沿着带电导线以与电子相同的速度运动，那么你会觉得电子是静止的。这就出现了在惯性系中，一个相对你静止的电荷居然产生了磁场。在这种情形下，你会感觉到磁场，因而会觉得有电场存在。当加速或减速时，随着电场的损失，磁场会出现。一个惯性系中的磁场会变成另一个惯性系中的电场。而你将这个场理解为电场还是磁场就完全取决于你自身的运动状态了。
爱因斯坦坚持认为物理定律不能只适用于匀速运动的观察者。它如果适用于一个惯性系统中的观察者，那么就必须同样适用于所有惯性系统，无论其中的相对运动状态如何。由此就引出了他的相对论方法，在第5章中我们会详细讨论。这个理念作用到电学和磁学上，就表明电和磁并非孤立的一些现象，相反地，电场和磁场的复杂交织构成了现在我们所知的电磁场。
这就为19世纪中叶詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出的电磁现象理论打下了基础。麦克斯韦总结了法拉第的发现以及所有当时已知的电学和磁学现象，最终形成了4个方程式。在对其公式化之后，他进行了进一步求解，发现这些等式意味着一整套的美妙新现象。
我们要理解这些现象是什么和为什么，首先就要知道麦克斯韦方程组的初衷。它总结起来就是：变化的电场或磁场会产生它们的黄金搭档——电产生磁，磁产生电。电场是矢量场：既有大小，也有方向。如果电场发生振动，比如在方向上每秒发生N 次“向上”和“向下”的交替转换，那么产生的磁场也会按相同频率振动。这就是从他的方程组中推导出来的。接着，他将振动的磁场代入他的另一个方程组中，结果显示将产生一个脉冲电场。将这个电脉冲波代入最初的方程组，你会发现整个事件在延续，电变为磁，前后交替。最终导致的效应是整个电场和磁场的大杂烩，并会以一种波的方式传递到空间中去。法拉第对电和磁现象的测量提供了重要的数据，将其代入麦克斯韦方程组后，就可以计算出这种波的速度。麦克斯韦计算出其速度为300000千米每秒，且速度与振动频率无关。这个速度和光速相同，由此他大胆地推论：光是一种电磁波。
比如五彩斑斓的彩虹，这些可见光包含的电磁场中的电场和磁场每秒会振荡数百万亿次，而相邻的强度波峰之间的距离仅限于百万分之一米附近的一个很小的区域。我们之所以会看到不同颜色的光，是因为其振荡的频率不同。麦克斯韦认为，彩虹的光之外一定还有其他电磁波，它们以光速传播，只是振荡频率不同而已。
你一定听说过红外线和超声波，这里的“外”和“超”是指它们相对于可见光的振动频率。从这个线索出发，科学家们热情洋溢地开始寻找其他的例子。住在德国卡尔斯鲁厄的海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）制作了电火花，并发现它们不需要物质介质就会将电磁波传递到空间中去。这就是现在所谓“无线”的雏形。这些原始的无线电波是与光类似的电磁波，只是所处的频谱位置不同。赫兹以自己的名字来命名频率的单位，将振荡频率每秒一次定义为一赫兹，而每秒千次或百万次就是千赫兹和兆赫兹。无线电波的振荡频率就介于千赫兹与兆赫兹之间。
无线电波和所有频率的电磁波一样，都能在真空中传播。通过无线电，我们可以和遥远的太空探测器联络。它们和光一样都能穿过空旷的太空，以相同的宇宙速度——300000千米每秒运动。
麦克斯韦在工作中的另一个发现是相距遥远的带电体和磁体不会发生即时的相互作用，但之间的电磁场会以光速扩散从而影响对方。在某一点上振动的电荷，只有当其发出的电磁波到达远处的电荷后，后者才会开始相关的振荡。这也与牛顿力学的描述截然不同，力学描述认为这种影响应该是即时的。
收音机、X射线晶体学，以及常见的很多现象都包含电磁原理，其中的电磁波或是被吸收，或是穿过看似空旷的空间后却被物质散射。这里就出现了对于光是电磁波的一个基本疑问：波动的媒介是什么？或者更直白一点，“波的载体是什么”。
