这个你在物理课本上常常见到的男人,只上过两年学

原点阅读 2022/11/8 16:19:54 责编:远生

1791 年 9 月 22 日是科学史上重要的一天,这一天对未来科学发展最具影响力的一个重要人物 —— 迈克尔・法拉第来到了世上。

迈克尔・法拉第

法拉第生于英国萨里郡纽因顿的一个铁匠之家,由于家境贫寒,他只上过两年小学就辍学当了报童。没有受过正规学校教育的法拉第,最终却成为伟大的物理学家和化学家,是 19 世纪科学史上最具有影响力的人物之一。

法拉第留存在世上有一部日记,这是一部引人注目的科学文献。日记中用工整的笔迹,不间断地记录了他从 1820 年到 1862 年的实验室工作,他的思考与机遇、梦幻与迷茫、踌躇与苦恼、成功与兴奋都跃然于已经泛黄的纸页上。

1932 年,英国皇家学会经过整理出版了这套日记,共 7 卷 3263 页,内中附有上千个插图,反映了法拉第科学人生的足迹以及他的各项成就。

在物理学方面,法拉第最早揭示了电的本质,首先提出“静电”“电源”“电解”“磁性”等基本概念。他打破了当时人们认为电有雷电、摩擦电、伏打电、电磁感应电和动物电等 5 种不同形式的误解,认为电的本性都是统一的,只是量与强度不同,或产生的机制与现象不同而已。

他利用铁屑引入了“磁力线”概念,并用它解释了磁铁与磁铁间、磁铁与载流线圈间,或载流线圈之间的磁力作用,明确指出这种相互作用是由于周围有“场”的存在。物质场这一光辉思想的提出,是对物质间相互作用认识的一个质的飞跃,对麦克斯韦建立电磁场理论有着重要的影响,它引发了电磁学研究的跨世纪发展。

在研究物质的磁性时,他发现了抗磁性材料,他还研究了磁场对光偏振状态的影响,发现了磁致旋光现象,由此揭示了光与电磁之间的联系,为认识光的电磁波的特性建立了重要基础。法拉第还发明了电磁转动圆盘,成为日后发电机诞生的源头。最值得一提的是,法拉第揭示了电与磁之间的对应关系,建立了电磁感应定律,这一定律在电磁学中的地位可以与牛顿力学第二定律在力学中的地位相媲美。

作为一位化学家,他发现了苯;完成了合金钢与重玻璃的研制;首创了金相分析法;实验研究了氯的笼型水合物,这种具有高潜热的特殊物质成为制冷设备的重要传热媒介;他建立了用取代反应制备出了六氯乙烷和四氯乙烯的方法;他采用低温加压法发明了氯化氢、硫化氢、二氧化硫和氢等气体的液化方法等。更重要的是,在解释电流的本质时,他研究电流对酸、碱、盐溶液的作用,从中建立了两个电解定律,不仅开创了电化学这一新学科领域,也为电的粒子性研究奠定了基础,这两个定律都以他的名字命名。

法拉第的化学实验室

由于当时英国的等级制度与法拉第老师亨利・戴维的偏见,他的成果长时间没有受到重视,直到 1824 年终于引起了科学界的注意。这年 1 月,法拉第被选为英国皇家学会的会员;1825 年,接替戴维担任皇家学会研究所实验室主任;1833 年,成为登上英国皇家研究所富勒・瑞恩化学教授席位的平民第一人,这是英国化学研究最具影响力的终身教授席位。

出身平民,没有受过系统教育的他,究竟是如何步入学术巅峰的呢?

为克服自身受教育不足的弱点,法拉第唯一的办法就是不放过一切可以学习的机会,顽强地学习。13 岁在书店当装订工时,他把堆积如山的书当作自己的“图书馆”,在《大英百科全书》和《化学漫谈》中找到了指路明灯;他参加了当时的青年科学组织 —— 伦敦哲学会,把它当成自己的“社会大学”,从中补习了物理、化学、天文、地质和气象等方面的基础知识;在聆听著名化学家戴维的系列讲座时,他一丝不苟地整理听课笔记,把它装订成一部三百多页的《亨利・戴维爵士讲演集》;在作为实验助手跟随戴维两年的长途旅行中,他公开的身份与待遇都是仆人,虽然这曾使他的内心十分痛苦,但贫寒出身与奋斗经历造就了他,使他学会了“忍耐”“等待”与“放平心态”,内心深处的一股驱动力使他“不去在意”,结果在旅行中的“间接学习”甚至比一般情况下学到的东西还要更多。著名学者之间的交流使他大开眼界,激发出他的很多新鲜想法,增长了阅历,顺便还学习了法语和意大利语。

化学家戴维

法拉第在物理学中的最大贡献就是建立了电与磁的关系,为麦克斯韦电磁理论的建立打下了基础。如果说麦克斯韦理论是一座大厦,法拉第就为这座大厦铺垫起了基石,其中最重要的一块基石就是他所创立的电磁感应定律。

1820 年,奥斯特发现了电的磁现象,成为物理学发展史上一件轰动世界的大事。这件事促使人们思考一个问题,既然电能生磁,磁能不能生电呢?人们希望找到电流磁效应的逆效应。这件事也引起了法拉第的兴趣,他坚信,电与磁之间一定具有对应的关系,磁生电的这个逆效应一定存在。

1831 年,他开始着手揭开这个谜团。他把检流计放在一间屋里,把线圈和磁铁放在另一间屋里,通过小窗口把线圈与检流计相连。

做实验时,他先把磁铁插入线圈,然后到另一间屋里去看检流计,指针并没有摆动,说明没有电流;他把磁铁拔出线圈,再去看检流计,指针还是没有摆动。难道磁铁对线圈没有影响吗?无奈中,他把线圈连同里面的磁铁拿回了实验室,就在他拔出磁铁的那一瞬间,检流计的指针突然摆动了一下,他再把磁铁放入线圈,指针又有了摆动。他恍然大悟,原来“磁所生的电”是在磁铁插入或拔出线圈时所出现的瞬态电流。

接着,他又做了一组实验。他绕制了一粗一细两个线圈,细的线圈接通电源,粗的线圈与检流计相连,如下图所示。

这个实验的意图很明显,连接电源的线圈就是一个电磁铁,如果另一个线圈有了感应电流,检流计的指针一定会偏转。果然,在细线圈插入或拔出的那一瞬,检流计指针都有了偏转;接着他把细线圈放入粗线圈,在给细线圈通或断电的那一瞬,检流计指针也发生了偏转。就这样,法拉第按照他所预设的计划,一连做了几十个实验,最后发现了磁生电的规律,这就是电磁感应定律。

1831 年 10 月法拉第最终成功地完成了电磁感应实验,他在皇家学会做了公开的演示。这一现象揭示了电场和磁场的关系,这一关系被麦克斯韦进一步发展成电磁场理论方程。

成名后的法拉第与其他著名科学家不同,自身的经历使他更体会到普通民众内心深处渴求学习的迫切心情,使他更重视把科学普及给大众,尤其看重使年轻人热爱并通晓科学知识。在他的建议下,英国皇家学会设立了“周五讲座”,从 1826 年到 1862 年退休,他一共进行了 100 多次演讲。

1856 年法拉第在做圣诞演讲

此外,他还为皇家学会每年举办的“圣诞讲座”做演讲。他的演讲配有实验演示,通俗易懂,引人入胜。后人根据他的讲座,汇集成册,编写成《蜡烛的故事》一书。这本书被译为多种文字,成为科普读物中的典范。

法拉第对他的好友说,科学工作应该“像一把火炬,从开始一直照耀下去,无休无止地保持着不懈的壮丽”。所以,英国皇家学会的这一传统一直流传至今,始终保持着“不懈的壮丽”。

法拉第参透了名誉与地位,皇家学术委员会聘请他担任学会会长,他再三谢绝。他的回答是,“我只是一个普通人,如果接受了皇家学会加在我身上的荣誉,我就不能保证自己的诚实与正直,连一年也保证不了。”

以同样的理由,他也谢绝了皇家学院院长的职位。当英国皇室决定授予他爵士封号时,他说:“法拉第出身平民,不想变成贵族。”很多人对此不理解,法拉第的好友提因戴尔却给出了很好的解释,“在他眼里,和布莱顿高原上的‘雷雨’比较起来,宫廷的华丽算得了什么呢?和‘落日’比较起来,皇家的一切摆设又算得了什么?在他的心中,‘雷雨’与‘落日’都能激起一种狂喜;在他的胸怀里,那些世俗的荣华富贵,当然就一文不值了。”他接着又说,“一方是可以不费吹灰之力获得 15 万英镑的财产,一方是完全没有报酬的研究学问,他却选择了第二种,遂穷困以终。”这就是一个铁匠的儿子、一个订书匠学徒的郑重选择。

1867 年 8 月 25 日,法拉第谢世,遵照他的遗愿,墓碑上只刻了他的名字和出生年月。

伦敦萨沃依墓园中法拉第的塑像

后人选择了法拉作为电容单位,以纪念这位物理学大师 —— 现实世界中为人间点燃火种的普罗米修斯。

文源:《科学史上的 365 天》,略有删改
作者:魏凤文 武轶
编辑:张润昕

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关键词:科学家法拉第

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