打開電力時(shí)代的大門

1804年一個(gè)仲夏的早晨，倫敦街頭走來一個(gè)報(bào)童。他個(gè)子瘦小，眉清目秀，雖然衣衫襤褸，但看上去卻挺精神。他挎著一包報(bào)紙，一面啃著一小塊面包，一面快活地哼著歌兒。

報(bào)童走到一家點(diǎn)綴著綠陰的庭院，停了下來。在等候開門的片刻，報(bào)童的目光落在身旁的欄桿上，他忽然停止了唱歌。一個(gè)有趣的問題在他腦海里閃過:“如果我的頭伸進(jìn)欄桿里，而身子還在欄桿外，那我究竟應(yīng)該算在欄桿哪一邊呢?”

正當(dāng)這個(gè)報(bào)童凝神思索的時(shí)候，不料大門打開了。他躲閃不及，腦袋被重重地碰了一下。他的“欄桿難題”沒解決，腦門上卻鼓起了一個(gè)青包，惹得開門的仆人及路人都哈哈大笑起來。這位鬧笑話的報(bào)童，就是13歲的邁克爾·法拉第。

人窮志堅(jiān)

邁克爾·法拉第是英國物理學(xué)家和化學(xué)家、近代電磁學(xué)的奠基人。1791年9月22日，他出生在英國紐因敦城一個(gè)普通的鐵匠家庭，祖先有愛爾蘭血統(tǒng)。法拉第的父親是一個(gè)吃苦耐勞、篤信宗教的人，名叫法拉第·詹姆士。一家6口，靠他打鐵糊口，相當(dāng)艱苦。

法拉第小時(shí)候?qū)ψ帜浮癛”的讀音不準(zhǔn)，把他哥哥羅伯特的名字總是讀成渥伯特，這使得他的老師很惱火。一天，老師把羅伯特叫到身邊，給他半個(gè)便士，要他去買一棵藤條來，她要當(dāng)眾揍法拉第一頓來教訓(xùn)他。羅伯特走出教室就把拿到的半個(gè)便士扔到了墻外，然后跑回家把此事告訴媽媽。法拉第的媽媽疼愛孩子，于是決定讓法拉第兄弟退了學(xué)，法拉第的學(xué)校教育就這樣結(jié)束了。

法拉第童年生活沒有留下更多的記載。根據(jù)他自己后來的回憶，他的童年是在饑餓中度過的，有時(shí)候一條面包要當(dāng)一星期的口糧，每天早晚各吃一小塊，這樣就不至于完全挨餓，當(dāng)然也不可能有一頓完全吃飽。幼年生活的困苦，鍛煉了法拉第樸素而堅(jiān)忍的性格。法拉第13歲時(shí)就去做工，很幸運(yùn)，他做了一名報(bào)童以后，就在一家書報(bào)店里當(dāng)上了訂書工。面對許多書籍，他空閑時(shí)就貪婪地閱讀。書本把他帶到了一個(gè)奇妙的世界。他自己說:“我特別喜歡閱讀科學(xué)書籍。”在他讀到的書籍中，他最愛看的是《大英百科全書》，特別是吉爾伯特·富蘭克林這些先驅(qū)者的電學(xué)知識，使他受益匪淺。對于其他的科普讀物，法拉第也很感興趣。有一本名叫《科學(xué)對話》的小冊子寫得饒有趣味，他最初的化學(xué)知識就是從這本書里汲取的。

從13歲到21歲，正是長知識、長身體的黃金時(shí)期。法拉第這個(gè)階段在書店當(dāng)了8年的學(xué)徒，等于上了8年學(xué)，這為他后來從事科學(xué)研究打下了必要的基礎(chǔ)。

1812年，一位顧客送給法拉第一張化學(xué)家戴維在皇家學(xué)院講演的門票。法拉第對戴維敬仰已久，現(xiàn)在居然能夠去聆聽他的講演課，真是欣喜異常。他認(rèn)真聽講，并做了詳細(xì)的筆記。之后，又將筆記精心裝訂，附上一封求職信，送呈皇家學(xué)會會長約瑟夫·班克斯爵士。可是班克斯卻留言:“此信無須答復(fù)。”皇家學(xué)會會長對這個(gè)無名小輩不予理會。但有趣的是，事隔40年后，當(dāng)廷德爾教授請法拉第出任英國皇家學(xué)會會長時(shí)，他對這一享有殊榮的職位也采取了不屑一顧的態(tài)度。他說:“廷德爾，我決心一輩子當(dāng)一個(gè)平凡的邁克爾·法拉第。”

四海求學(xué)

第一次碰壁并沒使法拉第氣餒。經(jīng)過幾天的考慮，他決心給戴維本人送去一份聽他講演的筆記，并附帶一份要求給他當(dāng)助手的申請書。信寄出去以后，法拉第懷著惴惴不安的心情期盼著回音，想不到幾天以后，他就收到了戴維約他到辦公室面談的便條。

由于被年輕人的身世和熱情打動，為了幫助年輕人，戴維決心在皇家學(xué)院給這位青年人謀一職位。起初他只干些刷洗瓶子、打掃衛(wèi)生的雜活。由于他干得出色，幾個(gè)月后，碰巧皇家學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室需要一名實(shí)驗(yàn)助手，戴維征詢法拉第的意見，法拉第毫不猶豫地接受了這一工作。在戴維的幫助下，法拉第正式踏入了科學(xué)界。

1813年10月，正值秋高氣爽的日子，戴維要去歐洲進(jìn)行學(xué)術(shù)考察，主要目的是同歐洲各國著名學(xué)者進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，并且做些短期的研究工作。因操作實(shí)驗(yàn)和整理科學(xué)記錄的需要，戴維帶上了法拉第。歐洲之行使法拉第受益匪淺，他在巴黎見到了后來將電轉(zhuǎn)化為磁，并成為電動力學(xué)創(chuàng)始人的法國科學(xué)家安培，在米蘭會見了因發(fā)明電池而聲名顯赫的意大利科學(xué)家伏打。正是安培和伏打?qū)﹄姷难芯繂l(fā)了法拉第，使他后來產(chǎn)生了將磁轉(zhuǎn)化為電的想法。因?yàn)榉ɡ诳吹诫娏骺梢詮姆螂姵刂挟a(chǎn)生，但伏打電池成本太高，所產(chǎn)生的電量又有限，既然地球本身就是一個(gè)大磁石，那么自然界中磁就普遍存在，如果能從磁石中產(chǎn)生出電流來，便能夠以很低的成本獲取大量的電流。法拉第下決心一定要搞清電與磁的關(guān)系。他在日記本中寫上了一個(gè)警句:“由磁產(chǎn)生電!”正是他的艱苦研究和偉大發(fā)現(xiàn)——由磁感應(yīng)的電流產(chǎn)生，人類獲得了打開整個(gè)電能寶庫的鑰匙，使蒸汽時(shí)代進(jìn)入電氣時(shí)代成為可能。

鍥而不舍

1820年物理學(xué)界發(fā)生了一件大事:丹麥科學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，第一次揭示出電和磁的密切聯(lián)系。這件事刷新了電學(xué)史，也改變了法拉第的研究方向。

奧斯特是個(gè)化學(xué)家兼外科制藥專家，也是金屬鋁的發(fā)現(xiàn)者之一。他在一次實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)，把通電的導(dǎo)線放在磁針上方，磁針竟會發(fā)生偏轉(zhuǎn)!這個(gè)發(fā)現(xiàn)在1820年7月21日公布以后，立刻引起整個(gè)物理學(xué)界的轟動。29歲的法拉第同樣被這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)所吸引。他以極大的興趣重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)。果然，南北指向的磁針在通電導(dǎo)線下面會轉(zhuǎn)成東西方向。這是為什么呢?懷著極大的興趣，在戴維的鼓勵(lì)下，法拉第毅然決然闖進(jìn)了電磁學(xué)這個(gè)未知的領(lǐng)地，沿著化學(xué)家奧斯特的發(fā)現(xiàn)繼續(xù)深入探索。

年輕的法拉第專門設(shè)計(jì)了一套裝置進(jìn)行電磁研究。他將兩個(gè)緊密耦合而又互相絕緣的組合線圈與開關(guān)、電瓶和電流計(jì)分別連接，試圖反其道而行之，使初級線圈接通電流后，次級線圈能夠感應(yīng)出電流來。但是事與愿違，法拉第的實(shí)驗(yàn)重復(fù)了無數(shù)次，卻每次都在希望中開始，在失望中結(jié)束。時(shí)間像江河一樣流逝，法拉第成功的信念毫不動搖，他不斷加大電池組，不斷以各種材料改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，堅(jiān)忍不拔地探索著科學(xué)的奧秘。

“鍥而不舍，金石可鏤”。經(jīng)過反復(fù)不斷地改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)和百折不撓地努力，法拉第終于在1831年的秋天迎來了他一生中最難忘的一年。在他的實(shí)驗(yàn)室里，法拉第解開了一直為大家所困擾的謎:磁鐵和初級線圈一樣穿過次級線圈環(huán)，電流計(jì)的指針也隨著磁鐵的運(yùn)動而擺動。原來是通過次級線圈的磁通量的變化引起了感應(yīng)電流。換句話說，正是運(yùn)動的磁產(chǎn)生了電流，法拉第醞釀和追求了10年的理想終于實(shí)現(xiàn)啦!這就是著名的電磁感應(yīng)現(xiàn)象!它繼奧斯特等人的實(shí)驗(yàn)之后，進(jìn)一步揭示出電和磁互相轉(zhuǎn)化的辯證關(guān)系，為近代電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。也正是在這個(gè)基礎(chǔ)上，法拉第制造出世界上第一臺感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

為了定量表述電磁感應(yīng)規(guī)律，法拉第設(shè)想一種曲線，它的任意一點(diǎn)的切線方向都與磁力在這一點(diǎn)上的方向一致，這種曲線就是磁力線，磁力線可以充滿整個(gè)空間。他于1837年又進(jìn)一步提出了“場”的全新概念，但是這一學(xué)說在當(dāng)時(shí)遇到了極大的阻力，不被人理解。因?yàn)楫?dāng)時(shí)牛頓力學(xué)是物理學(xué)的主宰，“超距作用”觀念不但支配了天體力學(xué)，也影響到電磁學(xué)。人們普遍認(rèn)為力的傳遞(包括電力和磁力)是即時(shí)而超距的。而法拉第不隨波逐流，他從大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，對“超距觀念”提出了懷疑。他相信“物質(zhì)到處存在，沒有不被物質(zhì)占有的中空地帶”，因此電力和磁力不能憑空傳遞。法拉第經(jīng)過十幾年的醞釀，終于找到了杰出的“力線”概念，認(rèn)為導(dǎo)線中感應(yīng)電流的大小完全取決于導(dǎo)線截割磁力線的數(shù)目。用這種全新眼光來觀察，電荷或磁極周圍布滿了向各個(gè)方向散發(fā)出去的力線，電荷或磁極就是力線的起點(diǎn)。從這一事實(shí)出發(fā)，法拉第首次提出“場”的概念。他把布滿磁力線的空間稱為磁場，磁力就是通過連續(xù)的場傳遞的。這樣，法拉第“場”理論動搖了牛頓力學(xué)的神圣殿堂。但這一觀點(diǎn)只能以直觀形式表達(dá)，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)捏w系和精確的數(shù)學(xué)語言，因而他這些卓越的思想被粗糙的表現(xiàn)形式所掩蓋。這一缺憾是后來由數(shù)學(xué)家出身的麥克斯韋來彌補(bǔ)的。當(dāng)麥克斯韋方程以簡潔的形式表現(xiàn)出“場”的狀態(tài)和電磁光的統(tǒng)一關(guān)系時(shí)，人們才清晰地看到了法拉第電磁觀點(diǎn)耀眼的光輝。

1867年8月25日，法拉第坐在書房的椅子上安詳?shù)仉x開了人世，終年76歲。這位偉大的科學(xué)家生前一向反對哀榮和葬禮，遵照他的遺言，在倫敦北部的海格特公墓舉行了簡樸的儀式，只有他的親人在場。他的墳前只立了一塊小小的石碑，標(biāo)示出邁克爾·法拉第長眠的地方。

沒有舉行轟動全國的葬禮，也沒有金碧輝煌的陵墓，然而法拉第的偉大卻是任何帝王所不能比擬的。他是世界上最杰出的實(shí)驗(yàn)天才，堅(jiān)持各種物理現(xiàn)象之間存在著有待發(fā)現(xiàn)的基本關(guān)系，他提出的場的全新概念，在科技史上是劃時(shí)代的貢獻(xiàn)，是電學(xué)史上的里程碑。后經(jīng)麥克斯韋發(fā)展成為電磁理論，打開了電力時(shí)代的大門。