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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“复杂结构”“使他的体系古怪而又枯燥乏味”。彭加勒认为，事实上，人们“似乎是在阅读对有传动装置、有传导运动并且在作用力之下弯曲的拉杆，有轮子、传动带和节速器的工场的描述”。而且，彭加勒认为，它体现了“英国人对这种概念的偏好；这些概念的出现正是迎合了英国人的心意”。但是，他也注意到，麦克斯韦本人“首先放弃了他自己的离奇的理论”，而且，“它并不是出现在他的完整著作中”。这里所说的“完整著作”可能是指麦克斯韦的那一系列论文。彭加勒立刻补充说，我们决不能懊恼“麦克斯韦的智慧追寻了这一僻径，因为它因此导致了最重要的发现”，而且彭加勒坚持认为（p．12）“麦克斯韦著作中永恒的要素”在于这样一个事：“它独立于一切特殊的解释”。 赫兹在德国伟大的物理学家亥姆霍兹的建议下所进行的实验证实了麦克斯韦的预言。在欧洲大陆，尤其是在德国，（高斯，韦伯等人）倾向于——正如普朗克所解释的（普朗克，1931，58-59）——“根据位势理论——这是高斯从牛顿的远距离作用的定律为静电磁场推演出来的，而且由此产生了很高的数学成就”——专门探求“电动力学的成就”。法拉第-麦克斯韦关于不存在任何这样的“直接的远距离作用”以及力场具有“一种独立的物理实在”的见解，是如此令人不可思议和如此难以理解，以致普朗克认为，这种新的理论“在德国找不到任何立足点，而月．甚至几乎引不起人们的注意”。亥姆霍兹提出了他自己的一种理论，在这种理论中，他试图保持瞬时作用的程式，而且仍然包含着麦克斯韦的方程式。他鼓励赫兹进行实验，不仅是为了发现电磁波是否存在或是否能够被产出（因为这两者都是他的理论和麦克斯韦的理论所需要的），而且是为了在两种不同看法之间作出选择，因为这两种看法都导致了关于电磁波的物理特性的非常困难的预言。（关于亥姆霍兹与麦克斯韦之间理论差别的简洁说明，请参见特纳1972，251—252。） 在关于“麦克斯韦的理论和赫兹的动摇”的一部通俗的——也就是说，非数学的——著作（1899；英译本，19O4，第7章）中，彭加勒解释了赫兹的实验如何在麦克斯韦的理论与它的对手之间提出了“实验难题”。这两种理论都一致同意许多被证实的预言（例如，电干扰沿一导线传播的速度与光速相同，电磁干扰通过空间传导），它们就这些作用在空间中传播的时间则有不同意见。假若不存在麦克斯韦的“位移电流”，那么传播就应当是瞬间的。但是，根据麦克斯韦的理论，在空气或真空中的传播速度，应当与沿导线传播的速度为同一速度——也就是说，它应当与光速相同。因此．彭加勒提出了这样一个问题：“因而，这里是一个实验难题：我们必须测定，电磁干扰以什么速度依靠感应通过空气传播。如果这个速度是无穷大的，那么我们就必须遵循旧的理论；假如它与光速相等，那我们就必须接受麦克斯韦的理论。”赫兹最初的实验并没有提供一个容易的答案。实验的结果“似乎无可否认地驳斥了旧的电动力学理论”，但是，“又似乎谴责了麦克斯韦的理论”。在1899年的著作中，彭加勒说，“这个失败仍然不能获得令人满意的解释”。他推测，赫兹用了一面“对于波长来说过于小的”反射镜，所以，“折射反而扰乱了所观察的现象”。无论怎样，后来的实验（首先是萨拉森和德拉里夫进行的实验）无可辩驳地证明，麦克斯韦的理论是正确的。这标志着以远距离瞬时作用为基础的理论的终结，并且表明，人们开始普遍接受麦克斯韦范式中场的理论，以及与光速相等的有限的传播速度。因此，法拉第-麦克斯韦理论上的革命转变成为法拉第-麦克斯韦-赫兹科学中的革命。 对这次革命的证明 在1888年，赫兹把他关于电波的实验的最后结果通知了亥姆霍兹。在这一年所作的一个演讲中，亥姆霍兹（1907，3）谈到“法拉第-麦克斯韦的思想”在理论物理学（“以太的理论物理学”）中所引起的一场“完全的革命”（eine vollstandige Umwalzung）。然后，亥姆霍兹（p.4）用类似库恩的语言，讨论了电学理论很可能要首先经历的“危机”（“eine Krisis，die erst durchgemacht werden muss”）。但是，亥姆霍兹所说的“危机”和“革命”与库恩所说的“危机”和“革命”之间的区别在于，亥姆霍兹似乎已经看到了从“革命”中出现的“危机”，而且所处的条件也与从前不同了。 关于“革命”的一个比较谨严的表述见于1894年奥古斯特·福普尔的教科书《麦克斯韦电学理论入门》。爱因斯坦在苏黎世做学生时，正是从这本教科书中学到了麦克斯韦的理论。（霍尔顿在1973年的著作中（205－212）对福普尔在爱因斯坦思想发展中的重要作用作了探讨。）在该教科书的序言中，福普尔强调赫兹如何不仅证明了电磁波的存在（和速度），而且在理论上确立了一个“转折点”，它强有力地使物理学家们摆脱了以远距离作用量为基础的（韦伯和其他人的）旧理论。赫兹的发现使“舆论产生了转变”（“Umschwung der Meinungen”），导致了“舆论的逆转”[即颠倒；而且可能是一场革命性的变革］（iii，iv）。 不久，法国哲学家、科学家皮埃尔·迪昂也提出了类似的看法。迪昂的探讨是更为有趣的，因为，他不仅是一位著名的科学家和卓越的哲学家，而且还是一位知名的科学史学家。他声称他的著作对麦克斯韦的电理论进行了“历史的和批判的研究”。在描述麦克斯韦著作的影响时，迪昂（1902，5）接连用了两个术语：‘bouleverser’（使动荡，使震惊）和‘revolution’（革命）——这正是我们在后来恩格斯《反杜林论》法文版中由德文‘Umwalzung’（革命）迻译过来的相同的两个词。迪昂直率地说，“这场革命是一位苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦努力的结果”（1902，5）。在一段关于历史的题外话中，迪昂特别指出，“麦克斯韦推翻了理论物理学据以发展的自然秩序；但是，在他的有生之年，他没有未得及看见赫兹的发现使他的大胆假设转变成为一个先知者的预言”（p.8）。在对麦克斯韦的第一篇论文的讨论中，迪昂比较了电现象与一种流体在阻抗介质中的运动。与此同时，他发现，麦克斯韦的语言似乎表明，“使物理学的这一学科革命化”根本就不是“他的意图”（p．55）。迪昂还高度赞扬路德维希·玻尔兹曼在1891年和1893年发表的著作。在这些著作（论文）中，玻尔兹曼试图“用全新的概念，建构一个在其中可以合乎逻辑地把麦克斯韦的方程式联系在一起的体系”，而且迪昂认为，这个体系是排除在麦克斯韦本人提出他的不同方程式的过程中的一个主要问题的途径。迪昂发现，在麦克斯韦的那一系列方程式中，充满“矛盾和谬误”（pp．223－224）。 在迪昂讨论麦克斯韦和革命一年之后，约翰·西奥多·默茨出版了其《19世纪欧洲思想史》的第2卷（1903年）。在这一卷中，他把麦克斯韦关于电磁理论的论文看作是一套“革命的丛书”，并且指出，“麦克斯韦的思想对科学的——不但如此，甚至公众的——思想的发展产生了相当大的影响”（pp．77－78，88）。 我已经提到爱因斯坦连续用革命的术语谈论麦克斯韦。在1920年的一次谈话中（莫斯科夫斯基1921，60），爱因斯坦对麦克斯韦的革命作了如下概括： 经典力学把所有电的和力学的现象归之为粒子相互间的直接作用，而不考虑它们彼此间的距离。对这种最简单的定律牛顿是这样表述的：“引力等于质量的乘积除以距离的平方”（引力与两物质粒子的质量乘积成正比，而与它们之间距离的平方成反比）。与此截然不同，法拉第和麦克斯韦引入了一种全新的物理实在，即力场。这些新的实在的引入，给予我们以极大的助益，以致于与我们的日常经验相违背的远距离作用的概念首先变得不必要了，因为，场从一个点到另一个点附着于整个空间之中，没有任何中断或间隔。其次，场的定律，尤其是就电而言，呈现为一种比在不设想任何场的存在的条件下要简单得多的形式，而且只有质量和运动才被看作是实在。 在他的“自传笔记”中（希尔1949，32－33），爱因斯坦详尽阐述了这个主题： 在我的学生时代，最迷人的主题就是麦克斯韦的理论。由远距离的力向作为基本的量值（参量）的场的转变使它看来好像是一种革命的理论。把光学结合到电磁理论之中，这一理论所确立的光速与绝对静电和电磁单位系统之间的联系，折射指数与介电常数的联系，以及一个物体的反射率和金属传导率之间的质的联系——它就像是一个天启。 在赫兹用实验证实电磁波的预言大约半个世纪以后，爱因斯坦对一场麦克斯韦革命的感觉敏锐的评价，在卡尔·波普尔对科学革命的清晰而鲜明的概括中又重新得到表述（1975，89）。他说，“法拉第和麦克斯韦的革命，从一种科学的观点看，正像哥白尼的革命一样伟大”，因为“它推翻了牛顿的主要教条——向心力的教条”。 许多评论家指出，麦克斯韦的理论在英国比在欧洲大陆获得了更普遍的支持。但是，仍然存在不同意见。开尔文勋爵就是其中之一。在1884年于约翰斯·霍普金斯大学所作的《巴尔的摩讲演》中，他直率地说：“如果我知道什么是光的电磁理论，那么，我也许就能够联系光的波理论的基本原理来思考它”。此外，“我也许可以说，在我看来，关于它的一个似乎可以理解的唯一正合需要的东西，我认为是不可接受的”。在分析1875年到1908年间英国的状况时，阿瑟·舒斯特爵士说，在英国，没有人进行实验以证实麦克斯韦的预言，因为“我们也许过于自信麦克斯韦的看法固有的真理和单纯”。既然我们“考虑到支持电磁理论的间接证据，所以认为不值得进行一个‘广泛展开的实验研究”’，那么，为什么还要进行这样一个“肯定将占用和耗费大量时间和劳动”的实验研究呢？实际上，进行这样一个实验似乎并无多大意义，因为看来显而易见的是，实验的“结果”将是“一个定论”。但是，舒斯特说，卡文迪什实验室的年轻人“错了”，因为他们“忘记了，在国外，而且在某种程度上说在这个国家中，绝大部分科学思想并无兴致甚至舍不得放弃一种灵活多变的有实体的非常有用的以太，转而接受一种其性质并不像任何已知物体的性质的介质”。 麦克斯韦的革命与我们前面一直在讨论的那些革命多少有些不同；那些革命可以比较容易地与像拉瓦锡或达尔文这样的单个人的科学思想联系起来。这场已经进行了长达半个多世纪之久的革命需要三个显著的贡献，即法拉第废克斯韦和赫兹三个人分别作出的贡献。对于这三位伟大的物理学家的重要作用，存在不同的看法。麦克斯韦的革命这个称呼也许源于这样一个事实：电磁理论集中体现在麦克斯韦的方程式中，这可能就是爱因斯坦认为麦克斯韦在这场革命中“发挥了最大作用”的原因。但是，爱因斯坦同样尊敬法拉第，而且在他的研究中对两者都作了生动的描述。这场革命看来似乎像人们归功于哥白尼的革命。在哥白尼的革命中，开普勒改造了哥白尼的概念，然后，牛顿又发展了这些概念。然而，两者之间仍然有一个根本的差别，因为开普勒基本放弃了哥白尼的原理，而麦克斯韦则在自己的理论中把法拉第置于一个非常重要的地位，给予法拉第的概念以新的精确性和重要性，并且在牛顿以开普勒思想为基础进行创建的意义上发展了法拉第的思想。 麦克斯韦对一种新物理学的贡献并不限于他的电磁学理论。它们还包含其他许多论题，其中有分子物理学、热力学和气态运动论。他使科学家们意识到量纲分析的重要性，并且在物理理论中传播了模式的概念，这个概念已经成为我们时代物理学的一个重要特点。我们已经看到，麦克斯韦的电磁理论顺利通过了三次革命的检验：亲眼目睹者的证明，历史学家的评判，科学家们的看法。第四次检验——物理学思想的记录——表明，麦克斯韦的革命（或者说，法拉第、麦克斯韦利赫兹的革命）是由18世纪和19世纪的经典物理学向2世纪新的相对论物理学和量子论转变过程中的一个重要因素。像牛顿革命以及采用和推广了理解外部世界现象的新方法的科学中的其他革命一样，它也是人类思想中的一场伟大革命。 ------------------ 素心学苑 收集整理 |
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