1804年一个仲夏的早晨,伦敦街头走来一个报童。他个子瘦小,眉清目秀,虽然衣衫褴褛,但看上去却挺精神。他挎着一包报纸,一面啃着一小块面包,一面快活地哼着歌儿。
报童走到一家点缀着绿阴的庭院,停了下来。在等候开门的片刻,报童的目光落在身旁的栏杆上,他忽然停止了唱歌。一个有趣的问题在他脑海里闪过:如果我的头伸进栏杆里,而身子还在栏杆外,那我究竟应该算在栏杆哪一边呢?
正当这个报童凝神思索的时候,不料大门打开了。他躲闪不及,脑袋被重重地碰了一下。他的栏杆难题没解决,脑门上却鼓起了一个青包,惹得开门的仆人及路人都哈哈大笑起来。这位闹笑话的报童,就是13岁的迈克尔法拉第。
人穷志坚
迈克尔法拉第(MichaelFaraday)是英国物理学家和化学家、近代电磁学的奠基人。1791年9月22日,他出生在英国纽因敦城一个普通的铁匠家庭,祖先有爱尔兰血统。法拉第的父亲是一个吃苦耐劳、笃信宗教的人,名叫法拉第詹姆士。一家6口,靠他打铁糊口,相当艰苦。
法拉第小时候对字母R的读音不准,把他哥哥罗伯特的名字总是读成渥伯特,这使得他的老师很恼火。一天,老师把罗伯特叫到身边,给他半个便士,要他去买一棵藤条来,她要当众揍法拉第一顿来教训他。罗伯特走出教室就把拿到的半个便士扔到了墙外,然后跑回家把此事告诉妈妈。法拉第的妈妈疼爱孩子,于是决定让法拉第兄弟退了学,法拉第的学校教育就这样结束了。
法拉第童年生活没有留下更多的记载。根据他自己后来的回忆,他的童年是在饥饿中度过的,有时候一条面包要当一星期的口粮,每天早晚各吃一小块,这样就不至于完全挨饿,当然也不可能有一顿完全吃饱。幼年生活的困苦,锻炼了法拉第朴素而坚忍的性格。法拉第13岁时就去做工,很幸运,他做了一名报童以后,就在一家书报店里当上了订书工。面对许多书籍,他空闲时就贪婪地阅读。书本把他带到了一个奇妙的世界。他自己说:我特别喜欢阅读科学书籍。在他读到的书籍中,他最爱看的是《大英百科全书》,特别是吉尔伯特富兰克林这些先驱者的电学知识,使他受益匪浅。对于其他的科普读物,法拉第也很感兴趣。有一本名叫《科学对话》的小册子写得饶有趣味,他最初的化学知识就是从这本书里汲取的。
从13岁到21岁,正是长知识、长身体的黄金时期。法拉第这个阶段在书店当了8年的学徒,等于上了8年学,这为他后来从事科学研究打下了必要的基础。
1812年,一位顾客送给法拉第一张化学家戴维在皇家学院讲演的门票。法拉第对戴维敬仰已久,现在居然能够去聆听他的讲课,真是欣喜异常。他认真听讲,并做了详细的笔记。之后,又将笔记精心装订,附上一封求职信,送呈皇家学会会长约瑟夫班克斯爵士。可是班克斯却留言:此信无须答复。皇家学会会长对这个无名小辈不予理会。但有趣的是,事隔40年后,当廷德尔教授请法拉第出任英国皇家学会会长时,他对这一享有殊荣的职位也采取了不屑一顾的态度。他说:廷德尔,我决心一辈子当一个平凡的迈克尔法拉第。
第一次碰壁并没使法拉第气馁。经过几天的考虑,他决心给戴维本人送去一份听他讲演的笔记,并附带一份要求给他当助手的申请书。信寄出去以后,法拉第怀着惴惴不安的心情期盼着回音,想不到几天以后,他就收到了戴维约他到办公室面谈的便条。
由于被年轻人的身世和热情打动,为了帮助年轻人,戴维决心在皇家学院给这位青年人谋一职位。起初他只干些刷洗瓶子、打扫卫生的杂活。由于他干得出色,几个月后,碰巧皇家学院的实验室需要一名实验助手,戴维征询法拉第的意见,法拉第毫不犹豫地接受了这一工作。在戴维的帮助下,法拉第正式踏入了科学界。
1813年10月,正值秋高气爽的日子,戴维要去欧洲进行学术考察,主要目的是同欧洲各国著名学者进行学术交流,并且做些短期的研究工作。为了帮着操作实验和整理科学记录,戴维带上了法拉第。欧洲之行使法拉第受益匪浅,他在巴黎见到了后来将电转化为磁,并成为电动力学创始人的法国科学家安培,在米兰会见了因用实验产生了大电流,并发明了电池而声名显赫的意大利科学家伏打。正是安培和伏打对电的研究启发了法拉第,使他后来产生了将磁转化为电的想法。因为法拉第看到电流可以从伏打电池中产生,但伏打电池成本太高,所产生的电量又有限,既然地球本身就是一个大磁石,那么自然界中磁就有的是,如果能从磁石中产生出电流来,便能够以很低的成本获取大量的电流。法拉第下决心一定要搞清电磁的关系。他在日记本中写上了一个警句:由磁产生电!正是他的艰苦研究和伟大发现由磁感应的电流产生,人类获得了打开整个电能宝库的钥匙,使蒸汽时代进入电气时代成为可能。
锲而不舍
1820年物理学界发生了一件大事:丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应,第一次揭示出电和磁的密切联系。这件事刷新了电学史,也改变了法拉第的研究方向。(www.xing528.com)
奥斯特是个化学家兼外科制药专家,也是金属铝的发现者之一。他在一次实验中意外发现,把通电的导线放在磁针上方,磁针竟会发生偏转!这个发现在1820年7月21日公布以后,立刻引起整个物理学界的轰动。29岁的法拉第同样被这个重大发现所吸引。他以极大的兴趣重复了奥斯特的实验。果然,南北指向的磁针在通电导线下面会转成东西方向。这是为什么呢?怀着极大的兴趣,在戴维的鼓励下,法拉第毅然决然闯进了电磁学这个未知的领地,沿着化学家奥斯特的发现继续深入探索。
年轻的法拉第专门设计了一套装置进行电磁研究。他将两个紧密耦合而又互相绝缘的组合线圈与开关、电瓶和电流计分别连接,试图反其道而行之,使初级线圈接通电流后,次级线圈能够感应出电流来。但是事与愿违,法拉第的实验重复了无数次,却每次都在希望中开始,在失望中结束。时间像江河一样流逝,法拉第成功的信念毫不动摇,他不断加大电池组,不断以各种材料改进实验仪器,坚忍不拔地探索着科学的奥秘。
锲而不舍,金石可镂。经过反复不断的改进、实验和百折不挠的努力,法拉第终于在1831年的秋天迎来了他一生中最难忘的一年。在他的实验室里,法拉第解开了一直为大家所困扰的谜:磁铁和初级线圈一样穿过次级线圈环,电流计的指针也随着磁铁的运动而摆动。原来是通过次级线圈的磁通量的变化引起了感应电流。换句话说,正是运动的磁产生了电流,法拉第酝酿和追求了10年的理想终于实现啦!这就是著名的电磁感应现象!它继奥斯特等人的实验之后,进一步揭示出电和磁互相转化的辩证关系,为近代电磁学奠定了基础。也正是在这个基础上,法拉第制造出世界上第一台感应发电机。
为了定量表述电磁感应规律,法拉第设想一种曲线,它的任意一点的切线方向都与磁力在这一点上的方向一致,这种曲线就是磁力线,磁力线可以充满整个空间。他于1837年又进一步提出了场的全新概念,但是这一学说在当时遇到了极大的阻力,不被人理解。因为当时牛顿力学是物理学的主宰,超距作用观念不但支配了天体力学,也影响到电磁学。人们普遍认为力的传递(包括电力和磁力)是即时而超距的。而法拉第不随波逐流,他从大量的实验事实出发,对超距观念提出了怀疑。他相信物质到处存在,没有不被物质占有的中空地带,因此电力和磁力不能凭空传递。法拉第经过十几年的酝酿,终于找到了杰出的力线概念,认为导线中感应电流的大小完全取决于导线截割磁力线的数目。用这种全新眼光来观察,电荷或磁极周围布满了向各个方向散发出去的力线,电荷或磁极就是力线的起点。从这一事实出发,法拉第首次提出场的概念。他把布满磁力线的空间称为磁场,磁力就是通过连续的场传递的。这样,法拉第场理论动摇了牛顿力学的神圣殿堂。但这一观点只能以直观形式表达,缺乏严谨的体系和精确的数学语言,因而他这些卓越的思想被粗糙的表现形式所掩盖。这一缺憾是后来由数学家出身的麦克斯韦来弥补的。当麦克斯韦方程以简洁的形式表现出场的状态和电磁光的统一关系时,人们才清晰地看到了法拉第电磁观点耀眼的光辉。
虽然法拉第的杰出贡献是在物理学方面,但他最初的成就却是在应用化学上。
早在1816年,25岁的法拉第就在《科学季刊》上发表了第一篇化学论文。1818年,他写了一篇关于火焰的学术报告,大胆指出了名家理论的谬误。这篇论文标志着法拉第科学上的准备时期已经结束。名师出高徒,他在戴维的引导下,经过刻苦钻研,勤奋工作,终于成为一名年轻有为的化学家。1820年起,法拉第开始把化学分析应用于社会和生活,他曾为东印度公司化验硝酸钠,为英国海军部化验食物和海水样品。他用实验发明了液化气体的方法,发现了苯这种有机物,从而为有机化学做出了杰出的贡献。
1834年,法拉第在电化学领域做出了卓越的贡献。他在戴维多年工作的基础上,发现了著名的电解定律。这个定律找出了电解的时候物理现象和化学现象定量的联系,成为化学的基本定律。电化学的开创人是戴维,法拉第把它发扬光大了。
法拉第还对电解质和电导体进行了深入的研究。在实验中,他感到当时电学中沿用的旧名称很混乱,不但词不达意,还常有谬误。法拉第认为随着新的电学理论的出现,有必要对旧名称来一次清理。他断然废除了一些过时的旧名称,更换了新名。比如电极、阳极(正极)、阴极(负极)、电解质、电解离子等,就是法拉第首先使用的。这些名词一直沿用到现在。
时代伟人
由于对电磁学的巨大贡献,法拉第在晚年获得全世界的敬重。各国授予他的奖章、荣誉称号像春天的鲜花一样繁多。他坚忍不拔的精神和纯朴无私的人格,使许多人倾倒,著名科学家、作家都以能和他结识为荣。面对花团锦簇的荣誉,法拉第始终虚怀若谷,他从来不把自己看成一个伟人。不但如此,他还拥有一副热心肠,只要是对公众有益的事情,他从不推却。当初,有人请他给一座灯塔当技术顾问,他尽管工作繁忙,还是愉快地承担了,并且几十年如一日,对灯塔的照明设施做了许多技术改进。每当法拉第看见灯塔在滨海的暮色中闪亮的时候,心里就感到无限的愉快。
晚霞布满天际,一轮红日渐渐西沉。到别墅去拜望法拉第的朋友,可以看见一位白发飘逸、衣着简朴的老人,坐在门外凝望着田野和壮丽的落日。他的表情恬静,眼里含着快乐的光芒。
这位铁匠的儿子,横跨一个时代的大科学家,一直到临终时都对大自然和人民怀着深挚的热爱。他本人就像一轮红日,把光和热洒满人间以后正静静地沉落。
1867年8月25日,法拉第坐在书房的椅子上安详地离开了人世,终年76岁。这位伟大的科学家生前一向反对哀荣和葬礼,遵照他的遗言,在伦敦北部的海格特公墓举行了简朴的仪式,只有他的亲人在场。他的坟前只立了一块小小的石碑,标示出迈克尔法拉第长眠的地方。
没有举行轰动全国的葬礼,也没有金碧辉煌的陵墓,然而法拉第的伟大却是任何帝王所不能比拟的。他是世界上最杰出的实验天才,坚持各种物理现象之间存在着有待发现的基本关系,他提出了场的全新概念,在科技史上是划时代的贡献,是电学史上的里程碑。后经麦克斯韦发展成为电磁理论,打开了电力时代的大门。
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