打开电力时代的大门

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演课,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。”

四海求学

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。因操作实验和整理科学记录的需要,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,在米兰会见了因发明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,那么自然界中磁就普遍存在,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与磁的关系。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。

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”。经过反复不断地改进、实验和百折不挠地努力,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。

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,他提出的场的全新概念,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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