في المرة القادمة التي تدير فيها مفتاح تشغيل سيارتك ويبث التيار الكهربائي الآتي من البطارية الحياة في المحرك بفعل القوة المغناطيسية، توقف لحظة لتفكر في أن بذور النسبية والنظرة المعاصرة للزمان والمكان تكمن فيما حدث للتو. عندما أجرى مايكل فاراداي تجاربه على الكهرباء والمغناطيسية في أوائل القرن التاسع عشر، لم يتوقع أحد أن هذا سوف يؤدي إلى إعادة تقييم عميقة لنظرة نيوتن للعالم. قام فاراداي باكتشافات عظيمة للغاية، حتى إنه لو كانت جوائز نوبل في القرن التاسع عشر، لفاز بها ست مرات، وكان أعظم اكتشافاته تأثيرًا هو أن المجالين الكهربائي والمغناطيسي متداخلان تداخلا عميقًا ويؤثر أحدهما في الآخر.

من أمثلة ذلك ما يحدث في محرك سيارتك. على سبيل المثال، إذا حركت مغناطيس فجأة سوف تخلق قوى «كهربائية»، ويُعرف هذا باسم الحث، وهو المبدأ الذي تقوم عليه المولدات الكهربائية. الفكرة هي أن المجالات المغناطيسية المتفاوتة تخلق مجالات كهربائية والعكس صحيح؛ فالتغير المفاجئ في المجالات الكهربائية يخلق مجالات مغناطيسية. تتسبب التيارات الكهربائية المتحركة في مركز الأرض في وجود المجال المغناطيسي للأرض. وهذا التبادل المتواصل بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية جزء لا يتجزأ من آلية عمل المحرك الكهربائي. يمكن خلق المجالات المغناطيسية من خلال التيارات الكهربائية، التي هي بدورها شحنات كهربائية متحركة كل شيء يسير على ما يرام حتى الآن، على الأقل إلى أن تتساءل «متحركة نسبة إلى ماذا؟ وهو السؤال الذي تكون إجابته المنطقية: «نسبة إليك أنت» داخل إطار قصورك الذاتي (الساكن). لكن تخيل أنك تتحرك الآن على طول السلك الذي يحمل التيار وبنفس سرعة تدفق الشحنات الكهربائية به. في هذه الحالة ستبدو الشحنات ساكنة بالنسبة إليك تولد الشحنة الساكنة نسبة إليك، في أحد أطر القصور الذاتي، مجالاً كهربائيًا، وهكذا ستشعر في هذا الموقف بوجود مجال كهربائي أما فيما سبق فكنت تشعر بوجود مجال مغناطيسي. زد سرعتك أو قللها ولسوف تبزغ مجالات مغناطيسية على حساب المجالات الكهربائية. ما كان مجالاً مغناطيسيا في أحد أطر القصور الذاتي تحول إلى مجال كهربائي في إطار آخر. يعتمد تفسيرك للمجال على أنه كهربائي أو مغناطيس على حركتك أنت.

أكد أينشتاين على أن قوانين الفيزياء يستحيل أن تعتمد على الحركة المنتظمة للمراقب. فما ينطبق على أحد المراقبين في أحد أطر القصور الذاتي لا بد أن ينطبق بالمثل على جميع الموجودين في كل أطر القصور الذاتي مهما كانت حركتهم النسبية. يقودنا هذا بدوره إلى نظرية النسبية. ما قدمته النسبية للمجالين الكهربائي والمغناطيسي هيا أنها أظهرت أنهما ليسا مجموعتين منفصلتين مستقلتين من الظواهر، وإنما هما متداخلان تداخلا عميقًا فيما يُعرف بالمجال الكهرومغناطيسي.

وضع هذا أساس نظرية الظواهر الكهرومغناطيسية التي اكتشفها جيمس كلارك ماكسويل في منتصف القرن التاسع عشر. صاغ ماكسويل اكتشافات فاراداي وجميع الظواهر الكهربائية والمغناطيسية المعروفة في أربعة معادلات فقط. وبعد أن صاغها، عمل على إيجاد حلول لها، وهكذا اكتشف أنها تضم بين ثناياها سيمفونية متكاملة من الظواهر الجديدة.

لفهم ماهية هذه المعادلات وسبب تناغمها، تحتاج أن تفهم أولا الغرض وراء صياغة معادلات ماكسويل بينت المعادلات أن المجال الكهربائي أو المغناطيسي المتغير سيولد الرفيق المتمم له؛ فالمجال الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيا والعكس صحيح. المجال الكهربائي مجال مُوَجَّه: فهو يتمتع بكل من المقدار والاتجاه. وإذا كان المجال الكهربائي متذبذبا، كأن يتغير اتجاهه «إلى أعلى» و «إلى أسفل» بالتبادل، عددا من المرات في الثانية، فإن المجال المغناطيسي الناجم سيتذبذب بنفس المعدل هو الآخر. هذا ما تضمنته معادلاته. ثم وضع ماكسويل حالة المجال المغناطيسي المتذبذب في معادلة أخرى من معادلاته ووجدها تتنبأ بأن هذا سوف يولد مجالاً كهربائيًّا نابضًا. وبإعادة هذا التذبذب الكهربائي إلى المعادلة الأصلية ستجد التسلسل مستمرا، من مجال كهربائي إلى مغناطيسي جيئة وذهابًا. يكون التأثير الناجم أن الخليط الكامل للمجالين الكهربائي والمغناطيسي ينتشر عبر الفضاء على صورة موجة. قدمت قياسات فاراداي عن الظواهر الكهربائية والمغناطيسية البيانات الضرورية التي عندما أُدخلت إلى معادلات ماكسويل مكنته من حساب سرعة الموجات. وجد ماكسويل أن سرعة الموجات تصل إلى 300 ألف كيلومتر في الثانية بصرف النظر عن تردد الذبذبات. هذه أيضًا سرعة الضوء، ومن هذا خرج باكتشاف عظيم: أن الضوء موجة كهرومغناطيسية.

يتكون الضوء المرئي ألوان قوس قزح من موجات كهرومغناطيسية يتذبذب مجالاها الكهربائي والمغناطيسي مئات ملايين المرات في الثانية الواحدة، فالمسافة بين القمم المتتالية تكون ضيقة للغاية بحيث تصل إلى نحو واحد على مليون من المتر. ويأتي اختلاف الألوان نتيجة لتذبذب الموجات الكهرومغناطيسية بترددات مختلفة. قضت أفكار ماكسويل الثاقبة بأنه لا بد أن يوجد موجات كهرومغناطيسية وراء قوس قزح تسافر بنفس سرعة الضوء، لكن تتذبذب بترددات مختلفة.

 كانت الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية معروفة بالفعل، ويشير المقطعان «تحت» و«فوق» إلى تردد ذبذباتهما نسبة إلى الضوء المرئي. أوحت هذه الخيوط للعلماء بالبحث عن أمثلة أخرى. ولَد هاينريش هرتز بمدينة كارلسروه شرارات كهربائية وأثبت أنها أرسلت موجات كهرومغناطيسية عبر الفضاء دون الحاجة إلى موصلات مادية، ومن هنا جاء اسم «لاسلكي». تعد موجات الراديو البدائية هذه موجات كهرومغناطيسية قريبة لموجات الضوء لكن في جزء مختلف من الطيف. أطلق هرتز اسمه على وحدة التردد بمعنى أن التردد الواحد في الثانية يُطلق عليه واحد هرتز، والألف تردد والمليون تردد في الثانية يطلق عليهما كيلوهرتز وميجاهرتز. وموجات الراديو هي موجات كهرومغناطيسية تتذبذب في مدى يتراوح بين الكيلوهرتز والميجاهرتز.

 وكما كان الحال مع الضوء المرئي الذي يسافر عبر الفراغ، ينطبق الأمر عينه على موجات الراديو وكل ترددات الموجات الكهرومغناطيسية. يمكننا التواصل مع المركبات الفضائية البعيدة بفضل موجات الراديو التي تسافر عبر الفضاء الفارغ كما الحال مع أشعة الضوء المرئية، وبنفس السرعة الكونية البالغة 300 ألف كيلومتر في الثانية.

 من الآثار الأخرى المترتبة على عمل ماكسويل هو أن الأجسام المشحونة كهربائيا والأجسام المغناطيسية التي يفصلها مسافات كبيرة لا يتفاعل بعضها مع بعض مباشرة وإنما تتفاعل عن طريق مجال كهرومغناطيسي ينتشر من جسم إلى آخر بسرعة الضوء.

حرك شحنة كهربائية عند نقطة ما، ولن تبدأ الشحنة البعيدة في التذبذب بالتوافق مع هذه الشحنة إلا عندما تصلها الموجة الكهرومغناطيسية الناجمة. يختلف هذا اختلافا جذريًا عن الصورة الميكانيكية التي رسمها نيوتن والتي يحدث فيها مثل هذا الفعل في اللحظة عينها.

يعتمد استقبال موجات الراديو، وعلم بلورات الأشعة السينية، والرؤية بصفة عامة على قدرة إحدى الموجات الكهرومغناطيسية على أن تمتصها المادة أو تشتتها بعد اجتياز الموجة ما يبدو كالفضاء الفارغ. هنا يكمن السؤال الأساسي بشأن الضوء باعتباره موجة كهرومغناطيسية: ما الوسط الذي يتموج؟ أو كما يُطرح السؤال على نحو أكثر صراحة »ما الذي يحتوي الموجات؟«