視覺化經驗在法拉第科學研究中的表現

呂仕儒

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009）

視覺化經驗在法拉第科學研究中的表現

呂仕儒

（山西大同大學物理與電子科學學院，山西大同037009）

邁克爾·法拉第作為19世紀英國最偉大的科學家，在物理與化學領域取得了許多重要成就，特別是“力線”和“場”概念的提出，徹底打破了牛頓“超距作用”的傳統觀念，為經典電磁場理論的建立奠定了扎實的基礎。文章從視覺化經驗的角度分析了法拉第的思維特征，論證了這種非邏輯因素在法拉第科學研究過程中的表現和作用。

法拉第；電磁場；實驗；非邏輯因素

眾所周知，邁克爾·法拉第(Micheal Faraday，1791-1867)作為一個出生在窮苦鐵匠家庭的孩子，僅僅小學畢業，這種學歷注定不會擁有嫻熟的數學推理能力。但是，這種微不足道的出身，并沒能阻止法拉第成為那個時代世界上最偉大的物理學家、化學家、發明家乃至思想家。可以說正是法拉第把人類推進了電氣化的時代。那么，如此輝煌的成就是在怎樣的基礎上建立起來的呢？像大多數科學家一樣，原因很多，譬如：堅忍不拔的性格，精益求精的品質，超凡脫俗的大腦，很多好的運氣和機遇，等等。但令人關注的是“……他不知怎么就有了一種思想，一種新的思想，革命性的思想，離軌的思想，或者隨便，你愛怎么稱呼就怎么稱呼它吧。”[1]

一

首先，我們前面提過，法拉第沒有受過正規的高等教育，邏輯推理能力不很突出（當然并不說沒有，這里是相對他的實驗能力而言的），但他卻具有超人的直覺能力和實驗技巧。法拉第作為一名實驗大師特別崇尚觀察和實驗。可以說，法拉第一生的絕大多數時間是在實驗室里度過的，他的絕大多數科學創造成果也是建立在實驗基礎之上的。雖然物理和化學作為以自然界為研究對象的自然科學理論，總體上說都離不開實驗的提示和檢驗，但是法拉第尤其如此。正像人們對法拉第評價的那樣：“法拉第作為物理學發展史上第一個大實驗物理學家在電磁學實驗上所取得的輝煌成就以及他精湛嫻熟的實驗研究技巧。使得他成為實驗物理學上一座高高聳立的豐碑，在實驗物理學上占據著獨一無二的地位。”[1]這種評價對法拉第來說是當之無愧的。

法拉第承認自然界是由上帝所制訂的幾條法規支配的。他認為這些法規不僅是上帝在創業時所敘述的意旨，也是造物主本著簡單和清楚的原則，在創造世界時，盡可能避免不必要的復雜性和隱晦性的結果。法拉第對所有力的現象都認為存在一個基本的不可破壞的守恒力。

在實際的科學研究過程中，作為一位實驗科學家，法拉第一方面拒絕推測，他說：“我必須堅持我的研究的真正實驗性，不能讓它們在任何方面染上假設的想象色彩。”“必須永遠堅持實踐性的工作；若非如此，就絕不提出結論性的意見。”因為他認為：“推測是危險的誘惑”[1]。而另一方面，在法拉第所取得的成果中有許多又是借助于他豐富的想象力才完成的，也就是我們所說的視覺化經驗的提示。“由于他天生賦予的巨大想象力，他敢于在其他人會畏縮的地方昂首前進……他仍然還是希望找到事實，并且要克服很大困難順應理論，然而，他或多或少會受先入之見的影響，不管這些觀點是否正確，它們都使他走向了新的道路，在那里他經常可以發現自己所要尋找的東西，而有時候，有些東西并非是他所尋找的，但是他卻不斷地遇到了某些重要的發現。”而法拉第自己也說：“你很難想象，我現在怎樣竭盡全力運用我的富有詩意的思想，以便去發現有關地球、太陽以及宇宙萬物的相似的方面和不同的形象——因為我認為這是做出發現的真正方法。”實際上法拉第本身就是一個思想活躍想象豐富的人，用他自己的話說就是：“……我是一個非常富于‘想象’的人，我會像相信《百科全書》那樣輕易地相信《一千零一夜》的故事，但是事實對我來說是很重要的，可以拯救我。我所能信賴的就是事實。”[1]可見，法拉第所說的推測是危險的誘惑，指的是那些缺乏事實根據的無端輕易的推測。

實際上任何一個科學家在探尋自然奧秘的過程中，都不會是盲目進行的，在他們的頭腦當中總有一幅預設的圖景存在，不同的是有的圖景清晰，而有的圖景模糊而已。正像馬克思曾經說的那樣：“蜜蜂建筑蜂房的本領使人間的許多建筑師感到慚愧。但是，最蹩腳的建筑師從一開始就比最靈巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蠟建筑蜂房以前，已經在自己的頭腦中把它建成了。勞動過程結束時得到的結果，在這個過程開始時就已經在勞動者的表象中存在著，即已經觀念地存在著。”［2］即在實驗過程中和實驗之前，法拉第頭腦中是有一幅預設的物理圖景。正像廷德爾（Tyndall John，1820-1893）說的那樣：“對于法拉第來說，他在全部實驗之前和實驗中，想象力都不斷作用和指導著他的全部實驗。作為一個發明家，他的力量和多產，在很大程度上應歸功于想象力給他的激勵。”[1]這種預設的圖景既與他心中的形而上學世界觀有關，也和以往所接受的科學理論有關。

二

對于法拉第來說，他相信世界在本質上是和諧統一的，當然這也是當時絕大多數科學家共同擁有的信念。和一般人不同的是法拉第站得更高看得更遠，正像法拉第的傳記作家克勞塞(Crowther J A)所說的那樣：“他從象庇斯伽山那樣的高處，下眺自然界中還沒有為人征服的方面，拿出預言家的眼光，畫出應該遵循的途徑。他使后繼的人得到一種線索，可以領導他們在那荊棘叢生的知識道程中安全渡過。”[1]譬如，法拉第的有關電磁學的工作是這樣展開的：他首先對電磁學的發展進行了歷史的調研和分析，然后構建出一幅自然圖景，形成自己的研究綱領。在構建自然圖景中，由于法拉第沒有受過系統的經典力學的訓練，這就使得他較少地受到來自經典力學圖景的約束和轄制。電磁感應的發現就是典型的一例。1820年丹麥的奧斯特發現了電流的磁效應，人們很快就想到一個問題——既然電能生磁，那么磁是否能翻過來生電呢？在信念上，大多數科學家們給出的答案是肯定的，這種信念無疑是建立在自然界處處表現出的對稱性之上的，即視覺化經驗的提示。為此，科學家們整整經過了10年的努力，經歷了無數艱辛、挫折和失敗，一直到了1831年才由法拉第給出了正確的答案。從而使得電磁學達到了一個巔峰狀態[3]。法拉第的第一個傳記作者丁鐸爾對這一發現這樣評價：“我不能不認為……關于磁—電的這個發現是迄今為止所獲得的最偉大的實驗成果。這是法拉第成就的勃朗峰。他長期在高水平上工作，但是他從來沒有達到比這更高的山峰。”[1]那么這一艱難而卓越的跨越何以如此艱難呢？主要的原因有兩個：一個是安培的分子電流假說，另一個是牛頓的經典力學圖景。

奧斯特發現了電流的磁效應后不久，安培便提出了關于電流之間相互作用的安培定律，安培把磁作用歸結為電流之間的相互作用，并在此基礎上提出了分子電流假說。這樣便把電流和電看成是根本性的東西，把磁和磁作用當做是電流的一種表現形態。這樣等于安培從理論上否認了磁和磁性的存在。于是在一部分科學家的頭腦中磁生電的問題就被忽略或者淡化了。另外，牛頓經典力學的成功，使得人們企圖把一切理論均要納入到經典力學的框架之中，而根據牛頓力學，力向來是直線的推或者拉、排斥或者吸引這類中心力。而電磁作用當中涉及的“圓形力”、“旋轉力”等概念就顯得很異類。這樣就阻礙或者遏制了當時人們對新概念的接受和進一步探尋的欲望和熱情。這是一種對熟悉的物理圖景的固守而產生的對新物理圖景的排斥的典型案例[4]。由此可見建立在視覺化經驗基礎之上的物理圖景對科學家產生的影響是多么巨大。而法拉第則不然，他沒有受到過正規的高等教育，無論安培的觀點還是牛頓的經典力學圖景對他的影響相對其他人要小得多。同時，法拉第又是一位十分注重事實的人，所有這一切致使法拉弟比其他人受到的干擾和阻撓要少得多。當然，不同意安培觀點的在當時并非僅法拉第一人，譬如，塞貝克(Seeback,1770-1831)1821年就通過一個實驗證明有一種“磁霧”存在。他把鐵屑撒在一張紙上，讓一根導線垂直穿過紙片，當接通電源時，鐵屑就以紙片上的導線為中心形成了許多同心圓。塞貝克認為通電導線周圍存在著一種“磁霧”。此外像阿拉果(Arago Dominique Francois Jean,1786-1853)等人都做過類似的實驗，實際上這些實驗本身已經證明了磁生電的問題。但是他們均沒有辦法對這些現象給予解釋。而法拉第則不然，他更喜歡從事實出發去不斷地檢驗和校正自己心中的物理圖像。對于無法通過實驗檢驗的問題總是采取懷疑的態度。對于安培的分子電流假說，法拉第在致德拉里弗的信中這樣說：“我不懷疑一個載流的螺線管同一根磁棒的作用一樣，但我沒有辦法確定普通磁體中是不是有電流存在，不能確定這種磁性狀態直接取決于電……我仍然懷疑安培的理論。”[1]我們從法拉第的表述中可以看到，只要是無法在實驗中呈現的東西，他就不會輕易去相信。我們現在當然明白安培的觀點是正確的，但是正是法拉第的這種極端崇尚實驗的態度，使他歪打正著，導致了電磁感應現象的發現，憑借著精巧的實驗手段和充滿想象力的智慧大腦，提出了意義非凡的“力線”和“場”的概念，從而對電磁學乃至整個物理學的發展產生了巨大影響。

而法拉第對超距說的否定，可以說是他“不拘泥于書本知識，而允許豐富的大自然本身作用于他那開放的心靈”的產物。按照當時公認的觀點，電磁作用應該同引力一樣，也是超距的、與周圍空間物質無關的。這是由于牛頓經典力學在理論和實踐中取得的巨大成功，在人們頭腦中構建出的機械論圖景的影響造成的。但是，由于法拉第沒有系統地學習過牛頓的理論，牛頓的那一套觀點對他影響不是很大，所以，他在追尋、接受“圓形力”，“旋轉力”，“場”，等等與牛頓的基本觀點相沖突的概念和圖景時，內心不會產生多大的顧慮和不安。法拉第甚至認為在電磁領域圓形力比中心力更根本。法拉第在他的《物質的新的電狀態或情況》指出，電流或磁體會在它的周圍產生一種“電緊張狀態”，并提出了“磁力線”的概念以對其進行精確描述。也就是說法拉第是沿著他親手所做實驗的指引，通過視覺化經驗的啟示在自己的頭腦中，為電磁場描繪出一幅自然圖景。就像伽莫夫（George Gamow,1904-1968）所指出的，當法拉第看到一個東西從一處運動到另一處時，他還想看到牽動它的繩子或者推動它的棍棒。他還要想象在它們周圍空間中充滿著能夠拉或者推的“某種東西”。

亥姆霍茲在談到法拉第電磁感應現象的發現時說：“這些發現的大部分突如其來，令世界震驚不已，這些發現顯然是一種不可思議的直覺的產物；甚至后來，法拉第本人也難以用清晰的語言來描述導致這些的理性的組合。”他進一步指出法拉第的“主要優勢毫無疑問源于這一事實，即他的理智并不會輕易就被理論所束縛，面對自然現象他要享有理論上的自由；他并不拘泥于書本知識，而允許豐富的大自然本身作用于他那開放的心靈。而那些劣勢也許是次要的；但當他力求表達自己的思想時，當他試圖用各種直觀的形象化描述來填補數學修養上的缺陷時，這些劣勢就會十分明確地暴露了出來。這顯然就是他偶然發現他的力線、光線振動、以及其他概念的方法，……”[1]。

總之，從法拉第在科學研究過程中的表現，我們可以感受到視覺化經驗對科學理論建立和選擇的重要性，作為一個科學家在科學理論研究當中，誰都無法和這種非邏輯因素割裂開，這種經驗有的來自已有的科學理論，有的來自自然本身；可是，無論來自哪里，它們都具有可錯性和局限性。從方法論的角度出發，如何在科學研究中既能獲得經驗的提示，同時又不陷于經驗的窠臼而不能自拔，這確實是一個自然科學家或者科學工作者面臨的巨大挑戰，特別是當我們所面對的客觀認識對象離人類的直接經驗越來越遠的今天，尤其如此。

[1](美)約瑟夫·阿蓋西.法拉第傳[M].魯旭東,康立偉譯.北京:商務印書館,2002.

[2]國家教委社會科學研究與藝術教育司.自然辯證法概論[M].北京:高等教育出版社,1989.

[3]王黃友,何兵.法拉第傳[M].武漢:湖北辭書出版社,1998.

[4]呂仕儒.視覺化經驗與物理學理論的建立[M].北京:中國輕工業出版社,2011.

Abstract:Michael Faraday made many important achievements in physics and chemistry,as the greatest scientist in 19thcentury. In particular,he proposed the concept of“line of force“and“field”,which totally broke Newton’s traditional concept of action at distance,laid a solid foundation of the classical electromagnetic field theory.this article made analysis of Faraday’s thinking characteristics from visual experience,demonstrated non logical factors’performance and effect in Faraday’s scientific research.

The Performance of Visual Experience in Faraday’s Scientific Research

LV Shi-ru
(School of Physic and Electronic Science,Shanxi Datong University,Shanxi Datong,037009)

Faraday;electromagnetic field;experiment;non logical factor

N09

A

〔責任編輯 高海〕

1674-0874(2017)04-0093-04

2017-03-17

呂仕儒（1963-），男，山西懷仁人，碩士，教授，研究方向：物理學思想史。