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第32章 法拉第(3)

法拉第的这个装置,实际上是世界上第一台变压器,它能使一个闭合回路里的电流,感应到另一个闭合回路里。如果单纯是为了变压,法拉第的这个实验是成功的,但是法拉第却很不满意,他的目的是要让磁变成电,而不是让电变成电,他还要进行进一步的探索。

发现了“伏打电感应现象”,法拉第苦苦思索,为什么是这样呢?他变换实验装置又做了几次实验发现:有铁芯的伏打电感应比没有铁芯的强,用圆铁环做铁芯比用直铁棒做铁芯强,原因就在于铁芯有导磁作用。圆铁环的导磁性比直铁棒好,由此分析,“伏打电感应”实际上是通过磁来传递的。

法拉第又想:为什么只有在一边电流接通或切断的瞬间,另一侧才能感应出电流呢?噢,原来产生“伏打电感应”的条件是磁的变化。想到这里,法拉第豁然开朗了。既然是磁的变化能产生电流,那为什么非要电流来产生变化的磁呢?直接用磁铁来产生磁的变化是不是可以呢?

法拉第马上实验,他在一个硬纸管上绕上电流计相联的闭合铜线圈,拿一根磁棒猛地向铜管里一插,果然,指针摆动了一下,成功了。法拉第异常兴奋,把磁转变成电的理想终于实现了。为了区别,法拉第把磁转变成电称为“磁电感应”。

法拉第并没有满足于发现“磁电感应”这个现象,他要像伏打那样制造出稳定的电流来。最后,他采用圆铜盘代替线圈,让它与强磁线做相对运动,终于产生了恒定的电流来。世界上第一台“发电机”就这样诞生了。

1831年8月至10月,法拉第相继发明了变压器和发电机,使机械能与电能之间的转化得以实现,大规模发电成为可能,电能真正开始登上人类的生产和生活的舞台。电动机、发电机、变压器的诞生宣告了电气时代的到来,电能,从它登上历史舞台至今,以它不可替代的优势进入了人类社会的各个角落,完全改变了人类的生活面貌。

场论的胜利

从1831年起,法拉第开始致力于纯粹的科学研究,其中最伟大的成果是场论思想的建立。

在场论建立之前,人们对宇宙的认识是牛顿力学为人们所描绘的图景。空间是一无所有的真空,物质是由无数具有质量的粒子组成的;而运动就是受到牛顿力学各条定律的支配,是秩序井然地进行的。知道了宇宙的今天,我们可以上溯万年,下推万年,以往的宇宙、未来的宇宙都可以描绘出来,牛顿力学所描绘的是一个高度理性的宇宙。后来,安培提出了分子电流假说,把所有的磁力统统归结成电流之间的作用力。这样,电磁学又纳入了牛顿力学的轨迹,物体、电荷和磁之间的作用力都归结为牛顿式的距离平方反比力,都是牛顿式的超距作用,描绘的都是牛顿式的宇宙图像。牛顿力学变成了“绝对真理”,许多物理学家自满了,以为物理学的框架已经建立。德国物理学家亥姆霍兹甚至说:“物理学的任务,在我们看来,归根结蒂在于把物理现象归结为不变的引力和斥力,而这些力的大小只和距离有关。”

然而,对于牛顿的理论,法拉第却持怀疑态度,并且提出了令人震惊的最伟大的思想——场。

1831年,法拉第作出了他最伟大的发现——电磁感应,同时他对牛顿力学产生怀疑,因为以牛顿力学为模板,建立起来的电动力学不能解释电磁感应这一新发现。

法拉第认为,空间不可能像牛顿所说的那样,除了以超距作用相互作用着的粒子以外什么东西也没有。在一根磁棒周围撒一把铁屑,铁屑就会描出一条条曲线,法拉第称之为“力线”。法拉第使导线在两个磁极中间运动,由于“电磁感应”导线所形成的闭合电路中产生了电流。如果在两个磁极之间真是一无所有的真空,那么导线中的感生电流是从哪儿来的呢?显然,空间并不真是空的,两个磁极的空间充满了“力线”,它们是实实在在的,可以被切割的线,导线的运动切割了“力线”,则闭合导线中就有感生电流,磁铁和电流周围的力线指示磁力的方向,称磁力线。法拉第把充满磁力线的空间叫做磁场。

法拉第对牛顿的超距作用深感怀疑。他无论如何不能相信一无所有的真空能够用无限大的速度传递力。在法拉第的场中,力的传递有一定的速度,需要一定的时间,而且力线可以做相对场源的运动。

场论和传统的牛顿力学对世界的认识大相径庭。牛顿认为,空间就是一无所有的真空,法拉第却认为空间充满了场;牛顿认为,物质只有一种状态,那就是实物粒子,法拉第认为所谓的实物粒子就是力场的中心奇点;牛顿派认为万有引力、电力和磁力都是超距作用;法拉第却认为这些力是以场为中介,像波一样传递的;牛顿派认为有一种力就对应着一种物质,各种力——万有引力……电力……相互无关,法拉第却认为各种力是统一的,可以在场中相互转化。

法拉第关于场的许多观念仍处于萌芽状态,带有推断、猜测的性质,甚至还有错误的成份,没有上升到理论高度,更没有形成一定的数学模式。然而,有一点是肯定无疑的,法拉第向传统的物理学所描绘的宇宙图景发出了挑战,是物理学上的一次革命。

受法拉第场论思想的影响,英国物理学家麦克斯韦继承法拉第开创的事业。在电磁学的研究中,麦克斯韦充分施展了自己非凡的物理思想和扎实的数学才能,提出后移电流理论,并在数学上得到了一组完整描述电磁场运动规律的过程——后来称麦克斯韦方程组,并且推导出电磁波的传播速度刚好等于真空中的光速。这就为场论的最后胜利奠定了基础。1887年法拉第逝世20年后,德国物理学家赫兹用实验验证了麦克斯韦的理论。至此,场论终于胜利了。

爱因斯坦对法拉第的场的思想作了高度评价:“我相信,从法拉第的电磁场概念中,后世仍旧可以学到许多东西,一点也不比前人已经学到的少。”

法拉第毕身致力于学术研究和科学实验,对金钱、荣誉看得很淡,常拒绝那些有丰厚报酬的商业技术研究,这导致他的生活每况愈下。1835年经首相梅尔本勋爵亲自批示,给法拉第等有杰出贡献的科学家发放政府津贴,法拉第拒绝接受,最后还是他的岳父说服了他。

“法拉第,你认为政府出钱资助科学事业,奖励科学家是错误的?”

“不,我没有为政府服务,就不应该接受政府津贴。”

“迈克尔,你搞科学难道不是为大家服务?你的科学为全世界服务,照我看,世界各国都应该给你年薪才对,你接受政府津贴,这样,你才能无后顾之忧,专心搞研究,为人类的知识宝库增添财富。”法拉第被说服了。

接受政府津贴,法拉第还是把其中的大部分捐献给了慈善机构,知道有谁遇到困难,法拉第就暗中把钱寄出,不留姓名和地址,帮助别人渡过难关,法拉第心里高兴得像孩子一样。

基于法拉第的贡献和名望,政府有意封他为爵士,但官方每一次派人试探都遭到拒绝。得到的回答始终是:“法拉第教授出身平民,他不想变成贵族。”法拉第还几次拒绝担任皇家学会会长和皇家学院院长的职务。他追求的不是荣誉,他追求的是实实在在的科学事业。法拉第把各国学术界向他颁发的奖章、证书,统统弃之一边,埋头于他的实验,他的科学研究之中。

法拉第的自然哲学的探索是他和大自然之间的对话,他的场思想,他的“自然统一、和谐”的朴素哲学观,在当时,很少有人能理解。法拉第孤独地探索着自己的道路,没有培养出继承自己科学事业的学生。然而,法拉第的科学讲演活动普及了科学知识,他凝集毕身精力,从事的科学研究,并将其总结在《科学实验研究》这本书中,遗留给后人。他虽然没有专门培养自己的学生,但是,当时几乎每一个有点成就的学者,都到皇家学院和他讨论过问题,受过他的教诲。

1867年8月25日,法拉第坐在椅子上,安详地睡着了,再也没有醒来。

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