书城童书钨舅舅
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第24章 力线的神话(2)

这样,我就可以轻易地给金属丝加热了。戴维舅舅给了我一袋子上好的钨丝,这些钨丝有不同的直径,最大的有2毫米。当我将这根钨丝的一端接在电池上,这根线慢慢地变暖了。最细的钨丝一瞬间就会变得非常热。中等粗细的钨通电后会变得红热,很快就氧化了,变成淡黄的氧化物(现在我知道抽尽灯泡里的空气或者在灯泡内充满惰性气体为什么那么重要了)。

如果是盐水或者带酸性的水,可以用丹尼尔电池来电解。我在蛋杯里电解过一点儿水,此事给我带来的快乐让我很久之后仍记忆犹新。我仿佛能看见负极产生的氧气和正??产生的氢气。1伏特电池足以将化合物(包括水)分解,也可以将盐分解为组成它的活性元素。

在伏特发明电池之前,人们还没有发现电解作用,即使是高效率的发电机或者莱顿瓶都不能使化合物分解。后来法拉第计算出,本来要用800000个莱顿瓶的强大电荷或者是一次雷击的力量才能分解1克的水,现在只要用一个小的、简单的1伏特电池即可。

但是,另一方面,我的1伏特电池或者马卡斯给我展示的手提收音机中的80个干电池都不能让通草球移动或让验电器动一下。静电能产生巨大的火花和高压电(一台维姆胡斯特起电机能产生100000伏特的电压),但是无法用于电解。虽然化学电池电压很低,但可供电解之用。

如果说把我带入了这种不可分割的电和化学的关系中的是电池,那么将我引入了电和磁密不可分的关系中的就是电铃。但电和磁之间的关系并不是不证自明、一目了然的,而是直到19世纪20年代才被发现。

我曾经目睹过即使是微弱的电流也能加热金属丝、产生电击或者分解溶液。这要说到电铃。

电铃是如何工作的呢?与铃相连的线伸到前门,当有人按门外的按钮时,电路于是就形成了通路。

有一天晚上,爸妈都出去了,我决定绕开这条通路将电铃通电,这样就可以直接操作门铃了。我一通电,铃锤就开始运动,敲打着铃。电流流动,是什么让铃锤开始运动的呢?我曾见过人们在铁铃锤上绕上铜线。电流通过的时候,绕圈就有了磁性,铃底部的铁就能吸引锤,而一旦敲击出铃声,线路就断了,小锤返回。

在我看来,这简直太神奇了。我想到我的磁石和U形磁铁。只有当电流通过的时候,线圈才会具有磁性;电流断掉的时候,磁性就会消失。

正是罗盘针的灵敏与感应最早提示了电与磁之间的联系。人人都知道,雷雨天的时候,罗盘针就会急速运动,甚至会被消磁。1820年,有人观察到,如果允许电流通过指南针附近的线,针就会突然转动。如果电流足够强,指针甚至会偏离90°。如果将指南针放在线上部而不是线下部,那么指针会向相反的方向转动。由此可见,磁力像是绕着金属线打转。

做个实验,就可以展示这种磁力的圆形运动。拿两个玻璃缸。一个倒水银进去,正中固定一根磁棒,将一根金属线悬挂在水银上方,轻触水银。另一个缸则固定金属线,让磁棒得以旋转。通电之后,第一个缸中的金属线开始绕着磁棒旋转,而另一个缸中的磁棒则以反方向绕着金属线打转。

事实上,这是1821年,法拉第设计出来的,这正是世界上第一台“电动机”。法拉第很能举一反三:如果电可以产生磁,那么磁为何不能产生电?他的这一问题引起了大家的注意。他花了几年的时间才找到了这一问题的答案,因为这一答案并不简单。将一块磁铁放到线圈里,并不能产生电,只有不断地移动磁铁,才能产生电流。现在我们都已知道了这一事实,因为我们都非常熟悉发电机,也熟悉发电机是怎样工作的。但是那时没有人会想到磁铁的运动非常必要,毕竟莱顿瓶和伏特电池放在桌上就能产生电流。甚至像法拉第这样的天才都要花10年时间才能在思想上取得这样的进步,让当时的研究步入新的境界。并且他意识到磁的运动对产生电非常重要,运动才是本质(法拉第认为通过切断磁力线的运动才产生了电)。法拉第的这一装置正是世上第一台发电机的原型,这和他的“电动机”原理正相反。

非常奇怪的是,法拉第的两大发明几乎产生在同一时期,但却具有不同的影响。因为有了电动机,1839年就有了电池供电的船,而发电机的应用却发展得很慢。到了19世纪80年代电灯发明以及电车出现,要求大量用电的时候,发电机才得到了普及。后来,商业的发展也促进了发电机应用技术的发展。从未见过像发电机这样的机器:这么大、这么响,并且还能产生一种新的神奇力量。早期的发电厂和巨大的发电机让人们很敬畏。这些在H.G.威尔斯早期的小说《发电机的统治者》中有明确的体现。小说中,原始人把巨大的发电机看做要求人类献祭的神灵。

像法拉第一样,我也可以随处看见“力线”了。我自行车的前后车灯本来是用电池的,现在则用小小的发电机来做照明灯的电力来源。小型发电机会在后轮呼呼打转,我有时会想象磁力线被切断的情形,想起磁铁运动的神奇和重要性。

磁和电看似毫不相干,现在它们由运动亲密地连到了一起。

在这一点上我开始求助于亚伯舅舅,他向我解释说,苏格兰物理学家麦克斯韦已经把电和磁之间的关系(以及它们两者与光的关系)弄得很清楚了。电场中的电规可以产生磁场,并由此感应出第二个电场,其次是第二个磁场……根据这些几乎发生在同时的相互感应,麦克斯韦想象,在这快速的振动中还有一个组合的电磁场,并且还会向四周扩散,其在空中的散播就像波动一样。1865年,麦克斯韦计算出这些电磁波每秒可以传播300000千米,其速度与光速差不多。这让大家非常吃惊,从来没有人想过电磁与光之间的关系。事实上,光是什么,人们都不了解,虽然都知道光会像波一样传播。现在麦克斯韦提出光和电磁波是“同一种物质的不同作用。根据电磁定律,光是一种在磁场中散播的电磁扰动”。知道了这些后,我对光有了不同的看法--电场和磁场以闪电般的速度彼此交互跃进,就会编织形成一束光线。

人们推论出,任何变化的电场或者磁场都可以让电磁波传向四面八方。亚伯舅舅说,正是这一点激励赫兹去探索其他的电磁波,或许这种波的波长要比可见光的波长更长。1886年,赫兹就可以用简单的感应圈以及小型的检波器来做实验了。当感应圈开始冒火花,在黑暗的实验室中,赫兹能够看到检波器里的小火花时。亚伯舅舅说:“我们打开无线电收音机的开关时,根本想象不到发生了怎样的奇迹。想象一下1886年赫兹在黑暗中看到这些火星的时候,他是怎么想的。他意识到麦克斯韦的说法是正确的。电磁波像光一样散射到四面八方。”

赫兹英年早逝,并且,他从没想到自己的发现能够改变整个世界。当马可尼的无线电报信号第一次越过英吉利海峡时,亚伯舅舅只有18岁。他还记得当时人们的兴奋之情,由此带来的轰动比两年前X射线的发现要强烈得多。有一些晶体可以接收无线电信号,特别是方铅矿的晶体。可用钨丝作为整流侦测器(俗称猫胡子),在晶体表面找出最佳接收点。亚伯舅舅的早期发明之一就是制作了合成晶体,这种合成晶体比方铅矿还好用。当时大家都把无线电波称为“赫兹波”,亚伯舅舅于是将他的合成晶体称做“水晶赫兹”。

麦克斯韦的最大成就就是将所有的电磁理论整合起来,并将这些理论归纳为四个方程式。亚伯舅舅翻开他书中的麦克斯韦方程式给我看,这半页的符号就是麦克斯韦理论的浓缩--对那些能理解麦克斯韦理论的人而言。在赫兹看来,麦克斯韦的方程式代表“新物理的轮廓,像一个神话世界”,不仅有产生无线电波的可能,而且整个宇宙都纵横交叉着无数的电磁场。

这些金属树是根据炼金术士对月亮、太阳以及已知的五大行星在炼金术领域的概念而命名的,这些行星的名字涉及七种金属。因此,金代表的是太阳,银代表的是月亮(月亮女神是黛安娜),汞代表的是水星,铜代表的是金星,铁代表的是火星,锡代表的是木星,铅代表的是土星。

不知为什么,法拉第在1845年发现抗磁性,这让我特别感兴趣。他用一块磁性非常强的电磁铁做实验,在其正极和负极之间放上各式各样的透明物质。这样做的目的,就是想看一下光的偏振面是否会受到磁铁的影响。法拉第当时发现,当磁铁接通电源的时候,那块非常重的铅玻璃会动(法拉第曾经用这块铅玻璃做过好多次实验),并与磁场成一定的角度(这是法拉第第一次提出“场”的概念)。在此之前,所有已知的磁性物质,比如铁、镍、磁铁等,都与磁场平行,而不是与之成90°的角。这激起了法拉第的兴趣,他测试了他能得到的每一样可能含有磁性感应的东西,不仅有金属和矿物,还有玻璃、火焰、肉和水果等。当我向亚伯舅舅说到这件事的时候,他让我用他的电磁铁做实验。我重做很多法拉第的实验,并且发现铋的抗磁性特别强,会受到磁铁正负极的排斥。看到铋(细薄如针)立即与磁场垂直,我感到很惊奇。如果它真的很稳定,我想知道能不能制作一个指向东西方向的铋指南针。我曾经用肉和鱼做过实验,并且还想用其他生物来做实验。法拉第曾经写道:“如果有人在磁场里,他会飘浮、旋转起来。这一点很像穆罕默德的棺材。”我想把一只青蛙或者一只昆虫放到亚伯舅舅的磁场中,但我害怕这样做会影响它们血液的流动,或者刺激到它们的神经系统,让我这一举措变成典型的谋杀行为。但我其实不必担心,已经有人做了这样的实验:青蛙悬浮在磁场里好几分钟了,并且很明显它们并没有因为这种遭遇而变得更糟糕。如今可以做出巨大的磁铁,所以多大的物体都可以悬浮起来。

那时,他兴趣广??,表现出旺盛的创造力,比如对钢的研究、制作折射率极高的镜片、气体的液化(这项成就是他最早取得的)、发明苯。他还多次在英国皇家学院做化学或其他讲座,1827年他又发表了《化学操作》一书。

和亚伯舅舅不一样,我的数学没那么好,发现自己很难完成麦克斯韦的工作。虽然我阅读过法拉第的作品并且感觉自己已经领悟了其观点的本质--当然他从未使用过数学方程式。麦克斯韦在向法拉第表达感激之意时,提及法拉第如何用非数学形式来表达其观点。“可能是因为科学上的突出贡献,法拉第并没有被人认为是一名真正的数学家,尽管他对于空间的基本形式很了解。他从来不迫使自己用当时人们爱用的数学语言发表自己的结果。他用适当的方式整合自己的理念和事实,并且用一种自然的非专业语言将这些观点表述出来。”然而,麦克斯韦又说:“随着对法拉第研究的深入,我感觉他感知世界的方法还是数学式的,尽管他并未使用传统的数学符号。”