书城科普读物站在巨人肩上-从富兰克林谈电物理学
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第8章 科学王子法拉第(1)

那是1812年的冬季,正当拿破仑的军队在俄罗斯平原上遭到溃败的时候,一位21岁的青年人来到了伦敦皇家学院要求和著名的院长戴维见面谈话。他带来了一本簿子作为自荐书,里面是他听戴维讲演时记下的笔记。这本簿子装订得整齐美观,这位青年给戴维留下了很好的印象。戴维正好缺少一位助手,于是他便雇用了这位申请者作为自己的助手,这位年轻的助手后来成为历史上最伟大的物理学家之一,他就是法拉第。

1791年9月22日,法拉第出生在英国的一个小村庄里。他的家庭是一个手工工人家庭,家里人都没有什么文化,而且颇为贫穷,他的父亲是一个铁匠。法拉第小时候受到的学校教育是很差的,13岁时,由于家庭贫寒,他来到一家装订和出售书籍兼营文具生意的铺子里当了学徒。在那里,他除了装订书籍外还经常阅读书籍,他的老板对他的这种行为非常赞同,有一位顾客还送给了他一些听戴维讲演的听讲证。

法拉第认真地听戴维讲演,并细心地做下了笔记。当上了戴维的助手后,法拉第清楚地认识到他的职业必然是有力量的,不久他就成为皇家学院的一员。1813年戴维夫妇决定去欧洲大陆游历,他们带着法拉第作为秘书。这次旅游进行了18个月,这次为期18个月的旅行对法拉第的教育起了重大作用。在旅途中,他见到了许多著名的科学家,像安培、伏打、阿拉戈和盖·吕萨克等,其中几位学者立即发现了这位陪伴戴维的朴实年轻人的才华。他成了德拉里夫和他儿子阿瑟·奥古斯特的终生朋友,他们是日内瓦一个家族的著名物理学家,这个家族无论在才智方面,还是在政治方面,都在日内瓦的社会生活中有杰出的地位,而且远远超出日内瓦的范围。

戴维的这次旅程从法国开始,延展到意大利、瑞士、德国和比利时。法拉第勤于写信,他从少年时期起就结交了不少朋友,他和他们一直通信。在巴黎时戴维与盖·吕萨克合作研究一种新物质,他认为这种新物质是新元素碘。这一戏剧性事件和其他事件,在法拉第的信中都有生动的描述。

法拉第特别执著,他属于叫做桑德曼教的一个小教派,并具有虔诚的宗教思想。桑德曼教具有原教旨主义的性质,他终生信奉它,并担任过教会长老多年。宗教是法拉第生活中的一个重要部分,他的一些最亲密的朋友也来自同一教派。

法拉第的科学活动是惊人的。他从欧洲大陆旅游回来后,几年内都致力于化学分析,并在皇家学院担任助手工作,其中包括对戴维的重要协助。他在1816年发表的第一篇论文是论述托斯卡纳生石灰的性质的。许多年后,法拉第把这篇文章汇入他的文集时指出,“戴维爵士给了我做这个分析的机会,这是我在化学上的第一次尝试,那时我的恐惧大于我的信心,而这两者又大于我的知识,那时我根本未想到会写出一篇有创见的科学论文。”

1860年前后,法拉第的研究活动结束时,他的实验笔记已达到16000多条,他仔细地依次编号,分订成许多卷,在这里法拉第快乐地显示了他过去当装订工时学会的高超技能。这些笔记以及其他在装订成书以前或以后的几百条笔记,都已编成书分卷出版,其中最著名的是他的《电学实验研究》。这位伟大的“自然哲学家”所研究的课题广泛多样,按编年顺序排列,有如下各方面:铁合金研究;氯和碳的化合物;电磁转动;气体液化;光学玻璃;苯的发明;电磁感应现象;不同来源的电的同一性;电化学分解;静电学和电介质;气体放电;光、电和磁;抗磁性;射线振动思想;重力和电;时间和磁性。要对他的庞大研究成果做全面分析,不是一个普通人所做得了的,而且需要有非常大的篇幅才行。

在1830年以前,法拉第主要是一位化学家,他的研究领域主要在化学领域。他曾在1821年第一次着手研究电和磁,可能由此而种下了种子,10年以后他有了伟大的发现。法拉第的第一个科学活动时期终止于1830年,那时他已成为很有成就的专业分析化学和实际顾问,而且更重要的是,由于他的坚实的科学成就,已赢得了国际声誉。在那个期间,法拉第发现了苯,在他发现苯时,并没有认识到苯在以后时代的重要性,当然也不了解它的奇异的分子结构。这些发明和发现表明,如果法拉第没有其他贡献,他也将被认为是杰出的化学家。

事实上,在19世纪20年代,法拉第已经成功地液化了好几种气体。他最初所用的仪器非常简陋,只是一个弯成倒“V”字形的结实的玻璃管。他在玻璃管一端放入产生气体的物质,把另一端浸在制冷混合液体中。这时放出的气体使管内的压力增加。他就是采用这种简单的技巧,液化了氯、二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、一氧化二氮、氨、氯化氢以及其他物质。

1818年起,法拉第开始和一位外科医生、皇家学会会员斯托达特合作,他们试图制造出一种改良钢,它的防锈能力要比英国当时所用的钢产品更强,能用来制造更锋利的刀片。当时的冶金技术仍然偏重于经验技术,印度生产的一种“乌兹钢”是当时最优质的刀片钢。法拉第和斯托达特在铁内掺入其他金属,例如铂、银、钯、铬等,制成了各种合金钢,但斯托达特在1823年去世,法拉第转到其他工作去了。他们当时是可能发现现代冶金学的一些重要结果的,但最终没有取得什么重要的成果。他们所制刀片的一些样品至今仍保存着,其中有一些质量很高。

以上的这些叙述都证明了法拉第具有卓越的化学才能和工艺才能。他把他的丰富经验总结为一本600多页的巨著,书名为《化学操作》,这本书于1827年出版,这是法拉第除了电学研究和其他研究论文集外所写的惟一的一本书。就是在今天仔细阅读它,也会给人一种直接和新颖的非凡印象。

法拉第的工作地点一直是皇家学院,他与皇家学院有着密不可分的联系。他和夫人萨拉住在那里,直到1858年维多利亚女王赐给他们一座皇家住宅。在有了新的住宅后,法拉第仍然保留着皇家学院的房子,因为那里有完全符合他要求的实验室。

在圣诞节期间,法拉第为儿童设立了专门的通俗讲演在戴维的推荐下,法拉第曾一度任皇家学院实验室的主任。任实验室主任期间,法拉第创办了一个定期的“星期五晚讲座”,这个讲座至今仍延续下来。法拉第花费了许多精力来提高他的讲演艺术,并且为此而名声卓著。他对讲演提出了各种建议和准则,完善到包括一切细节,这些建议和准则一直传给了皇家学院现在的讲演人。他讲演的高超技巧的一个实际结果是:尽管皇家学院的听讲费颇为昂贵,但只要是法拉第讲演,讲演大厅里就会挤得水泄不通,而其他人的讲演平均只有2/3的听众。除了星期五晚讲座外,法拉第还为儿童设立了专门的通俗讲演,在圣诞节期间举行。他的圣诞节讲座的主题之一是《蜡烛的化学史》,100多年以来,《蜡烛的化学史》曾经鼓舞了无数青年人,使他们从中获得快乐,这本书已被译成了许多种文字,至今仍在印刷发行。

1824年,法拉第被选为皇家学会会员,他当时只有33岁。法拉第在皇家学院的年薪是100英镑,但1833年他被任命为该院的化学正教授,薪金增加了一倍。他的收入是丰厚的,而且如果他爱钱的话,他甚至可以成为一个富翁。

1835年,当时的首相梅尔本从王室年俸中拨给他一笔300英镑的养老金,但梅尔本在做这件事时使用了一些不恰当的语言,使法拉第的自尊心受到了伤害,法拉第在一封尖锐的信中拒绝了养老金。这位首相不得不向他表示歉意,以便劝他接受这笔养老金。事情原委在报纸上公布后,立即引起了广大公众的兴趣。

法拉第很少兼职,因为他认为那些工作会耽误他很多时间,并且对他的研究毫无帮助。因而人们得到了一个关于他的印象,只有实验研究才是他真正的兴趣所在。他不参加任何社会活动,拒绝了许多授给他的荣誉,包括1857年要选他为皇家学会会长。他不同意皇家学会当权派的意见,他希望被选举人只限于科学界人士,而不要选只是业余科学爱好者的贵族会员或其他重要人物。1835年,他不再参加皇家学会会议,虽然他仍把科学论文送给学会。

可以毫不夸张地说,法拉第是一位卓越的老师,但他在科学上没有直接的学生和合作者。他的工作方法和他思考物理问题的方法妨碍了他建立自己的学派。形式数学知识的缺乏,加上他的丰富和敏捷的想象力,使他难于和别人进行学术交往,只有麦克斯韦能够真正地探测出他的思想。法拉第自己说:“我从来没有学生帮助我,我总是自己动手准备实验和做实验,一边工作,一边思考。我认为我不能和别人一起工作,或者把所想的想出来,或者及时地解释我的思想。有时我和我的助手一起在实验室里工作好几小时或好几天,他准备讲演用的仪器或者做清洗工作,我们之间几乎不说一句话。”

法拉第在年轻的时候就常常抱怨头痛,特别是记忆力好像总是在一点点地流逝。这些症状是由于工作过度而引起的,休息之后得到暂时的恢复。1839~1844年,法拉第发生了一次最严重的精神衰竭症,他被迫长时期休假。在这个时期,当他在瑞士疗养时,他写的日记中反映了他对自然界、植物和动物的爱好;他保存的植物标本堆积如山,而且整理得有条不紊。他说45英里的步行对他是一件平常的事,这证明了他的体质并不太坏。虽然他只在开始发病时停止工作,但他活动能力的减退差不多持续了5年,直到1845年秋才完全恢复。

1830~1839年,法拉第取得了他人生的最大成就,当时他是对现代电学发现做出贡献的第一流科学家。1821年他研究了奥斯特发现的电流的磁作用,做出了一项重大发现:磁作用的方向与产生磁作用的电流的方向垂直。法拉第还制成了一种电动机,证明了导线在恒定磁场内的转动,他甚至还证明了在地磁场内的这种转动,这个实验给他本人和他的同时代人都留下了深刻的印象。

法拉第始终认为,电与磁的关系必须被推广,如果电流能产生磁场,磁场也一定能产生电流,法拉第为了这个课题冥思苦想了整整10年。在这10年中,他做的许多次实验都以失败告终。直到1831年年底,他才取得了巨大的突破——他发明了一种电磁电流发生器,这就是最原始的发电机。这时的法拉第不仅做出了跨时代的贡献,而且奠定了未来电力工业的基础。曾有一个政治家问法拉第:“你的发明到底有什么用处?”他回答说:“我现在还不知道,但有一天你将从它们身上去抽税。”

除了电与磁的关系这一发现之外,抗磁性是法拉第的另一大发现。许多物质在做成细针时会使自己的方向垂直于磁力线,而且会被磁铁的两极推开,这种行为是由很弱的力产生的,这种很弱的力要比作用在磁场中铁上的力弱得多。这是很值得仔细研究的一种现象,为此法拉第花费了好几个月的时间来研究它。

1846年,法拉第在皇家学院代替惠斯通做了一次报告。当时原定报告惠斯通的一些研究工作,但一到了最后时刻,惠斯通突然惊慌失措,跑出了会场。法拉第代替惠斯通做了一个即席讲演,但是他的报告还不到预定的时间,因而不得不当场补充一些材料。他谈到了一直在他脑海里酝酿着的一些想法,并且谈得十分小心谨慎,但是话既然说出来了,他就写成了一篇短文,题目是《对射线振动的一些想法》。

《对射线振动的一些想法》写得并不十分清楚,不过它却包含了一些令人惊异的新的基本观点。当然由于有很多地方还没有详细的表述,这篇文章充其量只能称为光的电磁理论的一个明确预兆。18年后,麦克斯韦建立了光的电磁理论。麦克斯韦后来说:“法拉第教授在他的《对射线振动的一些想法》一文中明确地提出了横向磁扰动的传播是正常的磁扰动。他提出的光的电磁理论实质上和我在这篇文章中开始提出的是相同的,不同的只是在1846年还没有实验数据可以用来计算传播速度。”

到了19世纪50年代,法拉第的科学活动能力有所减弱,他又为记忆力的日益衰退而苦恼。他虽然仍能做些实验,但速度已不如前。他力图找出重力和电之间的相互作用,结果没有找到,但这个探索从法拉第到爱因斯坦,一直到现在,仍在继续进行。在这个发现的低潮时期,法拉第仍力图帮助公众。他致力于解决已经在困扰着伦敦的各种问题,例如保存绘画,使其不受空气污染的损害。

1862年,法拉第做了最后一次实验,他试图发现磁场对放在磁场内的光源发出的光线的影响,但他没有找到这种影响,因为他用的仪器还不够灵敏,不能探测到这种微细的效应。30年后,当时还是青年的塞曼从阅读法拉第的实验计划受到启发,他用更精密的仪器重新做实验时发现了塞曼效应,它是新原子物理学的先兆之一。

在生命的最后几年,法拉第由于记忆力日益丧失,已经逐渐失去了推动工作的能力。1860年他发表了最后一次圣诞节讲演,1864年他辞去了皇家学院教授职务。他的健康状况显然已处在危险之中,因此他辞去了所有其他职务,包括1864年辞去桑德曼教会的长老职务。他于1867年去世,终年76岁。