书城科普读物站在巨人肩上-从法拉第谈磁物理学
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第1章 自我介绍(1)

我是迈克尔·法拉第(Michael Faraday),于1791年9月22日生于伦敦附近的纽因格顿,父亲是铁匠。由于家境贫苦,我只在7岁到9岁读过三年小学。12岁当报童,13岁在一家书店当了装订书的学徒。我喜欢读书,并利用在书店的条件,读了许多科学书籍,并动手做了一些简单的化学实验。

1812年秋,我有机会听了著名化学家戴维的四次讲演,激起对科学研究的极大兴趣。我把戴维的讲演精心整理并附上插图后寄给戴维,希望戴维帮助我实现科学研究的愿望。1813年3月,后来戴维推荐我到皇家研究院实验室作他的助理实验员。1813年10月,我跟随戴维到盖·吕萨克欧洲大陆进行学术考察18个月。在这期间我有幸参观了各国科学家的实验室,结交了安培、盖·吕萨克等著名科学家,了解了他们的科学研究方法。回到英国后,我就开始了独立的研究工作,并于1816年发表了第一篇化学论文,以后又接连发表了几篇。

1820年奥斯特发现电流的磁效应,受到科学界的关注,促进了科学的发展。1821年英国《哲学年鉴》的主编约请戴维撰写一篇文章,评述奥斯特发现电流磁效应以来电磁学实验的理论发展概况。戴维把这一工作交给了我。我在收集资料的过程中,对电磁现象的研究产生了极大的热情,并开始转向电磁学的研究。我仔细地分析了电流的磁效应等现象,认为既然电流能产生磁,磁能否产生电呢?

1822年我在日记中写下了自己的思想:“磁能转化成电”。我在这方面进行了系统的研究。起初,我试图用强磁铁靠近闭合导线或用强电流使另一闭合导线中产生电流,做了大量的实验,都失败了。经过历时十年的失败、再试验,直到1831年8月29日才取得成功。我接连又做了几十个这类实验。1831年11月24日的论文中,我把产生感应电流的情况概括成五类:变化着的电流;变化着的磁场;运动的恒定电流;运动的磁场;在磁场中运动的导体。我认为:感应电流与原电流的变化有关,而不是与原电流本身有关。我将这一现象与导体上的静电感应类比,把它取名为“电磁感应”。为了解释电磁感应现象,我曾提出过“电张力”的概念。后来在考虑了电磁感应的各种情况后,认为可以把感应电流的产生归因于导体“切割磁力线”。在电磁感应现象发现20年后,直到1851年才得出了电磁感应定律。

1833年到1834年,我从实验中得出了电解定律,这是电荷不连续性的最早的有力证据。

我的另一贡献是提出了场的概念。我反对超距作用的说法,设想带电体、磁体周围空间存在一种物质,起到传递电、磁力的作用,我把这种物质称为电场、磁场。1852年,我引入了电力线(即电场线)、磁力线(即磁感线)的概念,并用铁粉显示了磁棒周围的磁力线形状。场的概念和力线的模型,对当时的传统观念是一个重大的突破。

我从近距作用的物理图景出发,还预见了电、磁作用传播的波动性和它们传播的非瞬时性。我在1832年3月12日写给英国皇家学会的一封密封信中,信封上写着“现在应当收藏在皇家学会档案馆里的一些新观点”,这封信直到1938年才启封公布,信中我说明了自己的上述新观点。

我把自己做过的实验整理成《电学实验研究》一书,书中收集了3000多个条目,详细记述了我做过的实验和结论,是一本珍贵的科学文献。

我是靠自学成才的科学家,在科学的征途上辛勤奋斗半个多世纪,不求名利。1825年,我参与冶炼不锈钢材和折光性能良好的重冕玻璃工作,不少公司和厂家出重金聘请我为他们的技术顾问。面对15万镑的财富和没有报酬的学问,我选择了后者。1851年,我被一致推选为英国皇家学会会长,我也坚决推辞掉了这个职务。把全身心献给了科学研究事业的我,终生过着清贫的日子。

1855年我从皇家学院退休。

1812年冬季的一天,一位21岁的青年人来到了伦敦皇家学院,要求见著名的院长戴维。作为自荐书,他还带来了一本簿子,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。当时戴维正好缺少一位助手,不久这位申请者就成了法拉第的助手,他就是历史上最伟大的物理学家之一——法拉第。

法拉第生在一个小村庄,一个手工工人家庭,家里人没有特别的文化,而且颇为贫穷。法拉第的父亲是一个铁匠。法拉第小时候受到的学校教育是很差的。13岁时,他就到一家装订和出售书籍兼营文具生意的铺子里当了学徒。但与别的学徒不同的是他除了装订书籍外,还经常阅读那些书籍。他的老板也鼓励他学习,有一位顾客还送给了他一些听戴维讲演的听讲证。

自从法拉第成为戴维的助手后,他就清楚地认识到自己的职业必然是有力量的,进入皇家学院不久,他就成为伦敦皇家学院的一员。1813年戴维夫妇决定去欧洲大陆游历,法拉第作为秘书随行。这次为期18个月的旅行,对法拉第在学术领域的发展起了重大作用。他见到了许多各国著名的科学家,其中几位学者很赏识这位陪伴戴维的朴实年轻人的才华。他还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。

这次旅程从法国延展到意大利(直到那不勒斯)、瑞士、德国和比利时。法拉第是个勤于写信的人,他从少年时期起就结识了不少朋友,他和他们一直通信。在巴黎时戴维与盖·吕萨克曾合作研究一种新物质,他认为是一种新元素碘。这一戏剧性事件和其他事件,都在法拉第的信中都有生动的描述。

法拉第信仰宗教,他属于叫做桑德曼教的一个小教派,这个教派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。显然宗教是法拉第生活中的的一个重要部分,他的一些最亲密的朋友也来自同一教派。

法拉第从欧洲大陆游历回来后,几年内都致力于化学分析的科研工作,并在皇家学院担任助手,其中也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,当法拉第把这篇文章汇入他的文集时曾指出:“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,其实,那时我的恐惧大于我的信心,而这两者又大于我的知识,那时我根本未想到我会写出一篇有创见的科学论文。”

法拉第是一位勤奋、严谨的科研人员,1860年前后,到法拉第的科学研究活动结束时,他的实验笔记已达到16000多条,他仔细地依次编号,然后分订成许多卷,在这项工作中法拉第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,都已被编成书分卷出版,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”(法拉第自己如此称呼)研究课题广泛多样,我们按编年顺序排列,主要有如下各方面:铁合金研究(1818—1824年);氯和碳的化合物(1820年);电磁转动(1821年);气体液化(1823—1845年);光学玻璃(1825—1831年);苯的发明(1825年);电磁感应现象(1831年);不同来源的电的同一性(1832年);电化学分解(1832年起);静电学,电介质(1835年起);气体放电(1835年);光、电和磁(1845年起);抗磁性(1845年起);射线振动思想(1846年起);重力和电(1849年起);时间和磁性(1857年起)。要对他的庞大研究成果作全面分析,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。

1830年以前,可以说法拉第主要是以一位化学家的身份站在历史舞台上的,但他也曾在1821年着手研究过电和磁,可能由此而为他的物理学研究埋下了种子,10年以后即在物理领域有了伟大的发现。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验顾问,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。这些科学成就包括制备一些新的碳化合物,如由他命名的“高氯化碳”或现代命名的“六氯乙烷”和“四氯乙烯”,以及研究伦敦照明用的气体(法拉第的哥哥在该部门工作)。这种气体是用动物油加热而制成的,储存在圆柱形铁罐内,它往往在铁罐内残留下一种液体。法拉第非常仔细而巧妙地对这种残余液体进行了分析,发现它含有一种沸点固定在80℃的成分,它的大致组分为CH。这就是苯,它是有机化学的主要支柱之一。但是法拉第发现苯时,并没有认识到它在后来的重要性,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,他就已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,法拉第和一位外科医生、皇家学会会员斯托达特合作了几年,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。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。

所有这些工作都证明了法拉第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六百多页的巨著,书名为《化学操作》,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唯一的一本书。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,他与它打成了一片。法拉第和夫人萨拉住在那里(他们有一个幸福的家庭,但没有小孩),直到1858年维多利亚女王赐给他们一座皇家住宅。但是甚至那时,他也仍然继续保存着皇家学院的房子,那里有完全符合他要求的实验室。