热质说终于在1866年左右走到了尽头，因为麦克斯韦和玻尔兹曼（Ludwig Boltz—mann，1844—1906）各自用不同的方程式描述气体的行为，其完善性超过前人。麦克斯韦说，气体的温度并不反映气体所有分子的运动速率是均匀的，它反映的是这些运动在所有方向和所有速度上的平均统计值。他解释说，当气体加热时，分子运动得更快，互相碰撞也就更多，而碰撞增加了气体的压强。
麦克斯韦妖
1871年，麦克斯韦发明了一个小精灵——后来就叫做麦克斯韦妖——用来说明熵和气体中热运动论的统计性质。想象有一个二室的房子，气体均匀地分布在两室里。两室之间只有一个活动门相通。正如麦克斯韦的理论所描述的，两室中的气体分子，有些运动得很慢，有些则很快。当分子走过时，精灵抓住慢的把它送到另一室，又把另一室的快分子抓住通过活动门送到第一室。用这一方式，最后第一室将充满热（运动快的）分子，而第二室充满冷（运动慢的）分子。如果精灵真的存在（当然是不可能的），加热一间房子就可以不要任何能量。
物理学经过了70年的时间，研究热的本质及其与其他能量形式的相互关系，这才摆脱了18世纪的热质说。基于原子论的威力并且通过运用数学和模型以及仔细的实验，这才获得两个永恒的原理，从而为热力学机制提供了更为扎实深刻的认识。
磁、电和光
1819年，整个欧洲都在用电流做实验，这时奥斯特（Hans Christian Oersted，1777—1851）正在哥本哈根大学教授物理课。他也不例外，在一次课堂演示中，他拿起一根通电导线，让它靠近一枚磁针。长期以来，关于电和磁的关系一直存在种种猜测。奥斯特也许猜想到了电流和磁铁相互间会有某种效应。果然他是对的。
这是一种突然瞬时的反作用，磁针晃动了，不过不是沿着电流的方向，而是与电流方向垂直。奥斯特改换电流的方向，磁针再次晃动。不过这次方向相反，但仍然与电流方向垂直。
奥斯特第一次在学生面前演示电与磁之间存在的联系，从而打开了一项新研究领地的大门：电磁学。后来证明，这是19世纪最有成效的领域之一。
一个古老的奥秘
电与磁的研究都可追溯到16世纪柯彻斯特的吉尔伯特的工作。吉尔伯特最先引入电力、电吸引和磁极这些名词。在1600年出版的《论磁》中，他论述了自己的研究，因此，人们普遍认为他是电学研究的奠基人。
17世纪，盖里克设计了一个可以产生静电的机器，1745年，马森布洛克（Pieter vanMusschenbroek，1692—1761）和克莱斯特（Ewald won Kleist，1700—1748）独立发现了莱顿瓶原理。不仅在科学上，而且在日常生活中，对电的兴趣普遍高涨，富兰克林对电的极性、电与磁的关系、电对熔融金属的能力等方面作了广泛的研究。
然而，在伏打发明伏打电池以前，还没有办法产生连续稳定的电流，所有的电源都是静态的。在伏打之前，电可以储存，但一瞬间就放电完毕（常常表现为强大的电击形式）。
但是，19世纪却迎来了电学上的伟大突破。一旦用上了电力，不仅会改变人们的生活方式，而且通过对电、磁以及它们关系的新认识，将会产生新的强大理论，从而改变人们对宇宙的看法。沿着这一方向，一位名叫法拉第的年轻人首先迈出了巨大的步伐。
伟大的实验家法拉第
法拉第是科学史中最让人崇拜和尊敬的人物之一，不同于他的同事们，他既没有受过什么教育，也没有闲暇时间。作为英国一位铁匠十个孩子中的一个，除了去学校学会读书写字，法拉第从来就没敢奢望进大学。12岁时，他就开始自己谋生，学校生涯就此结束。但是有些人往往有强烈的好奇心，他们不可法拉第遏止地要探寻这样一些问题，诸如：世界是什么组成的，或者为什么人们以这种方式行事，或者是什么使事物运转。法拉第就是这样一位具有不倦好奇心的人物。他还交了一点好运：找到一份在装订厂里当学徒的工作，就在他为书籍装订封面的同时，还贪婪地阅读书中的文字。他读了《大英百科全书》（Encyclopaedia Britannica）中关于电的文章和拉瓦锡的《化学基础论》。他还读了（并装订了）简·马舍特（Jane Marcet，1769—1858）的《化学谈话》（Conversations on Chemistry），这本书在19世纪初是一本广泛流传的通俗读物。
随后另一个好运降临法拉第生活。一位顾客送给法拉第几张票，是皇家研究所戴维的四次演讲票。法拉第极为高兴，对那四次讲座的全部内容都作了详细记录，他把这些记录装订好后送给戴维，并附上一封希望在研究所当助手的申请书。几个月后，戴维果然给法拉第提供了这份工作。戴维的一个同事说，“让他洗瓶子吧，如果他确实不错，他会接受这份工作；如果他拒绝，那他什么事情也干不成。”这一工作的薪金比法拉第订书的工资要少，但这个机会他正求之不得呢。
不久，戴维在1813年访问欧洲，随身带上法拉第作为秘书和科学助手。尽管戴维的夫人把法拉第当做仆人，但这位年轻人从无怨言，而是利用这个机会见到了科学界的关键人物，其中包括伏打、安培（André-Marie Ampère，1775—1836）、盖吕萨克（Josep Louis GayLussac，1778—1850）、阿拉哥（Arago，1786—1853）、洪堡（Alexander von Humbokit，1769—1859）和居维叶。他们在欧洲各地旅行，从一个实验室到另一个实验室，完成各种实验，参加各种演讲，在这个过程中，法拉第接受了他从未有过的教育。
1815年，他们返回英国，法拉第正式成为实验室助理，负责皇家研究所的矿物收藏和仪器主管。他成了戴维在实验室里的得力助手，因为他灵巧、内行并且投入，经常从早上9点一直工作到晚上11点。几个月后，他的工资增加为年薪100英镑，这一年薪一直保持到1853年。
当法拉第读到奥斯特1820年做的实验后，他和科学界其他人一样，感到非常兴奋。奥斯特的磁针显示，电流不是像大家想的那样，沿着直线从导线的一端流向另一端，而是围绕着导线。巴黎的安培证实了这一思想，他证明，如果两根载流导线平行放置，其中一根处于可随意运动的状态，当两根导线电流方向一致时，它们互相吸引；如果电流方向相反，则互相排斥。
法拉第自己动手做了一个简单的实验。1821年9月，他演示了“电磁旋转”，让载流导线围绕着一块固定的磁铁旋转，同时又让磁铁围绕一根固定的载流导线旋转。这是第一个原始的电动机。
遗憾的是，戴维因此而对法拉第生气了，他声称法拉第窃听了戴维与沃拉斯顿（William Hyde WoUaston，1766—1828）的谈话，因为谈话中涉及类似的实验。法拉第承认他也许受到谈话的启示，但是他的装置有实质上的不同，沃拉斯顿和历史也都承认这一点。
无论如何，这也许是法拉第最不足道的发现，他正在酝酿更大的发现。1822年，法拉第在他的笔记本中写道：“把磁转变为电。”奥斯特用电产生磁（磁针反映了磁力），为什么逆过程不可能发生呢？
法拉第从安培和另一位物理学家斯图根（William Sturgeon，1783—1850）提出的设想开始着手。他先是准备一个铁环，铁环的一部分用线圈缠绕，合上电键即可引入电流。铁环的另一部分也缠绕线圈，然后连接到电流计。他想第一个线圈的电流也许会在第二个线圈中引起电流。电流计可以测量第二个电流并显示结果。
这一想法真的成功了——这正是第一个变压器——但是结果让人有点吃惊。尽管在铁环中有稳定的磁力，但在第二个线圈中却没有稳定的电流通过。取而代之的是，仅当法拉第闭合线路时，第二个线圈才会出现瞬时电流——电流计跳了一下。然后当他再次切断线路时，又产生了瞬时电流，标志是电流计又跳了一下。
由于法拉第不懂数学，他只能形象地解释这一现象，并且提出磁力线这一概念。他注意到，如果在纸片上撒有铁屑，上面放一块强磁铁，轻轻敲击，铁屑就会沿着他所谓的磁力线呈现出某种模式。他想象电流形成某种磁场，从源头向所有方向辐射。当他在实验中合上线路时，力线辐射出去，而第二个线圈则切割了这些力线。这时，第二个线圈里就有感应电流。当他断开线路时，力线“收缩”，第二个线圈又切割了力线，从而再次生成感应电流。他还研究了条形磁铁的力线、像地球一样的球形磁铁的力线和载流导线的力线。这是自从伽利略和牛顿提出机械论宇宙以来，第一次以一种更富创造力的新眼光来看待宇宙，这就是场理论的出现。
1831年，法拉第在皇家研究所的一次大型普及讲座中，用另一种方法演示了力线。他拿起一个线圈，把磁铁插入线圈中。与线圈相连的电流计指针开始晃动，当磁铁的运动停止时，晃动也停止。当他把磁铁取出时，电流计又有显示。磁铁在线圈里面运动，也有显示。如果把线圈移过磁铁，电流计也会显示。但是如果磁铁在线圈中静止不动，电流计就没有电流。法拉第发现了电磁感应原理。也就是说，他发现通过机械运动与磁的结合可以产生电流。这就是发电机的基本原理。［另一位物理学家，美国的亨利（Joseph Henry，1797—1878）也精彩地演示了这一相同的思想，但是他没有及时发表。于是，一心专注于工作的法拉第获得了发现权的荣誉，对此亨利欣然接受］
当然，法拉第下一步的目标就是建造一台能够产生连续电流的发电机，而不是实验中那种断断续续的感应电流。为此他做好一只铜盘，使其边缘在永久磁铁两极间通过。当铜盘转动时，会产生电流，引出电流就可派上用场。通过水轮或蒸汽机推动轮盘转动，流水的动能或者燃料燃烧后的能量就转变成了电能。今天的发电机与法拉第的原始装置已经大不一样，经过50多年的改进它才投入实际应用，但它无疑是迄今最重要的电学发现。
从孩提时代起，法拉第就对自然力和自然现象的相互联系与统一性有深刻的信念，他承认，他在1844年发表的场理论和他对磁、电和运动的相互联系性的探讨，都是围绕这一信念而展开的工作。1845年11月5日，他在皇家学会宣读的论文《论光的磁化和磁力线的启示》一开头写道：
“我长期持有这一观点，几乎就是一种信念，就和许多自然知识爱好者一样：我相信，物质的作用力虽然形式不同，却有共同的渊源；或者，换句话说，它们是如此直接联系和相互依赖，以至于它们都是相互可转化的，并在其作用中拥有同等的能力。”
起初，没有多少人重视法拉第的场理论，但是法拉第对自然统一性的信念被焦耳、汤姆生、亥姆霍兹、克劳修斯和麦克斯韦以多种方式在以后几十年的工作中得到证实。
与此同时，法拉第和戴维之间的关系继续恶化。随着时间流逝，戴维不得不承认法拉第正在超过自己，于是他开始变得忌妒和怀恨。当法拉第的名字报到皇家学会，准备被接纳为会员时，戴维表示反对。尽管戴维一个人投了反对票，法拉第还是在1824年当选为皇家学会会员。1825年，法拉第成了实验室主任，1833年担任皇家研究所化学教授。法拉第是一位温文尔雅、忠于职守的人，他宁可把时间花在实验室里，或在家里陪伴妻子巴拉德（Sarah Barnard），对戴维的行为从不回击。他还有很多的事情要做。丁铎尔（John Tyndall，1820—1893），作为法拉第在皇家研究所的继承人，曾这样形容法拉第：他“是一个容易激动、生性火爆的人，但是经过高度自律，他已经把这种火爆转变成了生命中的闪光和动力，而不是让其耗费在无谓的激动中”。
对于伟大的实验家法拉第，我们深怀敬意，正如英国物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在1931年所说：
“回顾过去，我们越是研究法拉第的工作，就越是感受到作为一个实验家和自然哲学家，他所具有的那种无与伦比的才能。当我们考虑他的发现和这些发现对科学和工业进步的影响时，实在找不到相称的荣誉来纪念法拉第——这位所有时期里最伟大的发现者之一。”
苏格兰的理论家
麦克斯韦1831年出生，正好这一年，法拉第作出了最有影响的发现——电磁感应。儿童时代，麦克斯韦在数学上非常出色，以至于看起来像是有点反常，同学们叫他痴人。15岁时，他向爱丁堡皇家学会递交了一篇论文，论述椭圆曲线的绘制，论文给人的印象是如此深刻，以至于许多会员认为这不可能出自一位如此年轻的少年之手。在麦克斯韦30多岁时，他已经正确地解释了土星光环的概率特性（1857年），并且独立于玻尔兹曼提出了气体的运动理论（1866年）。
但是他始终对法拉第的工作充满兴趣。1855年12月和1856年2月，24岁的麦克斯韦正在剑桥大学三一学院任研究员，他提交了一篇特殊的论文——《法拉第的力线》。接着，在1864年到1873年之间，麦克斯韦又把他的数学天才用于法拉第对电磁力线的猜测上，他试图为此提供必要的理论根据。
在这个过程中，麦克斯韦提出了一系列简单的方程式来描述磁和电的观察事实，并且证明，这两种力无法分离。这一不朽的工作就是电磁理论，证明磁和电不能单独存在。
麦克斯韦为了支持法拉第的场理论，证明了电磁场实际上是由电流的振荡造成的。他说，这个场从源头以恒定的速度向外辐射，其速率可以从特定的磁学单位和特定的电学单位之比计算得出，结果大约是186300英里每秒。光就是以186282英里每秒的速率传播的——麦克斯韦想，这一巧合太令人惊奇了，它不是偶然。由此他得出结论，光本身一定与振荡着的电荷有关。他的结论是：光就是电磁辐射！他无法证明这一点，但它似乎就是一个有力的预言，这个预言一代以后就得到了证实。
但是麦克斯韦想得更远。他假设，光也许就是以不同速度振荡的电荷所引起的辐射。（已经找到证据，其中有许多是我们看不到的：1800年赫歇尔发现了红外线，是肉眼看不到的；1801年，里特尔在光谱的另一端发现了紫外线，也是肉眼无法看到的。）
