图:托马斯·菲利普斯 油画,1842 / 英国国家肖像馆 NPG 269(公有领域)
迈克尔·法拉第
Michael Faraday1791–1867 · 生于英格兰纽因顿 · 英国
从装订学徒到电磁学之父的实验大师
「只要与自然的法则相一致,就没有什么奇妙得令人不敢相信。」
—— 1849 年 3 月 19 日实验日记
在物理学的万神殿里,法拉第是最「不可能」的一位:铁匠之子,只上过几年小学,终生几乎不懂高等数学。可正是他发现了电磁感应,造出发电机的雏形,还孕育出「场」这个统治现代物理学的概念。许多人认为,他是有史以来最伟大的实验物理学家。
装订作坊里的读者
法拉第十四岁进入伦敦书商里博的铺子当装订学徒。别的学徒装订书,他却读书:装订《大英百科全书》时读到「电」的词条,读到马塞夫人的《化学谈话》,便用攒下的零钱买来瓶瓶罐罐照着做实验。1812 年,一位顾客送他四张票,去皇家研究院听大化学家汉弗里·戴维的告别讲座。他把笔记誊清、配图、精心装订成厚厚一册寄给戴维,附信求一份科学界的差事——这几乎是一个学徒能拿出的全部履历。
戴维的助手
1813 年,戴维聘他为实验室助手。随后的欧洲游历既是科学之旅,也是屈辱之旅:戴维夫人始终把他当仆人使唤,不许他同桌用餐。回国后,法拉第的才华迅速溢出「助手」二字。1821 年,他让通电导线绕着磁铁持续旋转——这是世界上第一台电动机的雏形,却也招来「窃取他人想法」的流言,戴维站在了指控一边,师徒关系从此蒙上阴影。1824 年法拉第当选皇家学会会士时,据说唯一的反对票正来自他的恩师。
1831:磁生电
奥斯特已经证明电流能让磁针偏转,法拉第在笔记本里给自己写下目标:「把磁转化为电」。1831 年 8 月 29 日,他在一只软铁环两侧绕上两组线圈:合上一侧电路的瞬间,接在另一侧的电流计猛地一跳,随即归零;断开时,指针又反向一跳。他抓住了要害——产生电流的不是磁场本身,而是磁场的变化。几周后,他把铜盘架在马蹄形磁铁两极之间转动,得到了持续的电流:人类第一台发电机诞生了。
看不见的力线
法拉第不写方程。他往磁铁上撒铁屑,凝视那一圈圈曲线,坚信电与磁的作用是通过充满空间的「力线」传递的,而不是什么隔空发力的魔法——「场」的思想由此萌芽。当时的数学物理学家对这些「图画」不以为然,直到麦克斯韦把力线翻译成方程组,人们才明白这个「不懂数学」的人看得有多远。
让磁把光扭过来
1845 年,法拉第五十四岁,记忆力已开始衰退,却盯上了一个更大的问题:如果电与磁是同一件事的两面,那么光呢?
这个念头他试了很多年,一直失败——普通玻璃里什么也看不出来。9 月的一天他换上自己早年配制的重玻璃(含硼酸铅),让一束偏振光穿过,再给玻璃加上强磁场:偏振面转了。
这就是法拉第效应。它的分量远超「又一个新现象」——这是人类第一次证明光与电磁不是两回事。此前谁也没能把光学和电磁学接上头。他在日记里写道,自己终于磁化了一束光线,又照亮了一条磁力线。
同一时期他还发现了抗磁性:原来一切物质都对磁场有反应,只是绝大多数被推开而不是被吸引。玻璃、水、木头,乃至一颗苹果,放进足够强的磁场都会被推走。
麦克斯韦后来说,正是法拉第效应让他确信必须把光纳入电磁理论。十七年后,方程算出的波速与光速吻合。
拒绝的与留下的
法拉第一生谢绝了封爵,两次谢绝出任皇家学会会长,理由朴素:他想从始至终做普通的法拉第先生(大意)。他在 1825 年创办的圣诞科学讲座专讲给孩子们听,至今每年圣诞照常开讲,已成英国传统。1867 年 8 月 25 日,他在王室赐居的汉普顿宫寓所安然离世。他连葬入威斯敏斯特教堂的荣耀也婉拒了,依照遗愿长眠于海格特公墓一块朴素的墓碑下——而威斯敏斯特教堂里牛顿墓旁,为他立着一方纪念碑。
代表方程
电磁感应定律
穿过线圈的磁场变化得越快,感应出的电压就越高。法拉第用实验和力线图景发现了这条规律,今天的数学形式是麦克斯韦等后人整理出来的。
伟大发现
出处
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