用線描述場——法拉第智慧的結晶

何花

學習了電場后知道，我們知道電場是看不見、摸不著的一種客觀存在的物質。然而電場線卻能夠形象化地把電場呈現在我們的眼前，讓我們能夠得心應手地處理電磁場中形形色色的問題。到底誰會有如此的智慧？這當然要歸功于偉大的英國科學家邁克爾·法拉第（Michael Faraday）。

1791年9月22日，法拉第出生在薩里郡紐因頓一個貧苦的鐵匠家庭里。5歲時隨父母到倫敦，在一所普通的日校讀書。13歲時法拉第在書店中當學徒，起初送報，后學裝訂，空余時間自學化學和電學，并動手做實驗，驗證書上的內容。他在裝訂《不列顛百科全書》時，偶然看到了“電學”這個條目，更加激發了他對科學的熱情。年輕的法拉第為兩種新力量的神秘性質被揭開而帶來的巨大突破而著迷。這兩種新力量是：電和磁。法拉第貪婪地盡一切所能來學習與這些問題相關的知識。1810年2月至次年9月，法拉第聽了J·塔特姆所做的十幾次自然哲學講演，并開始參加市哲學學會的學習活動，受到了自然科學的基礎教育。1812年2月至4月，他又在皇家研究所聽了H·戴維的4次講座，每次他都細心筆錄，整理成稿，四次的書稿竟有三四百頁，用“H·戴維爵士講演錄”作封面。同年10月他寫信給戴維，表達獻身科學事業的決心，并隨信附上自己記錄、裝訂的《H·戴維爵士講演錄》。1813年3月，經戴維介紹進皇家研究所任實驗室助手。同年10月，隨戴維去歐洲大陸作科學考察旅行。1815年5月回到皇家研究所，在戴維指導下從事化學研究。戴維廣博、深邃的知識，給法拉第以最重要的影響。年復一年，法拉第已經成為實驗圈子里冉冉上升的新星，最終使戴維教授的名聲黯然失色。1829年，戴維去世后，法拉第得以自由地做出一系列驚人的突破，包括發電機的發明。發電機能夠為整個城市提供能源，并改變了世界文明的進程。

法拉第最偉大發現的關鍵是他提出的“力場法拉第從大量的電磁實驗研究中提出了描繪電磁作用的“力線”思想。他認為帶電體和磁體周圍存在著某種特殊的狀態，他用力線來描述這種狀態。他認為：力線是物質的，充滿了整個空間，力線密的地方場就強，力線疏的地方場就弱，這些力線像拉緊的橡皮筋，有縱向收縮、橫向擴張的趨勢。力線把異種電荷和異種磁極聯系起來，力線的源不變，則力線的分布不變，力線的源變化則力線的圖案變化。他做過這樣的實驗：取一張白卡紙，撒上鐵粉，紙下放一磁極，輕輕敲打卡紙，鐵屑會清楚連成規則的曲線，從而說明空間確實存在力線，只是平時看不到，現在用鐵屑模擬出來了。法拉第通過力線圖象，使許多電磁現象的定性解釋變得十分簡單、直觀和形象。法拉第認為，力線具有重要的地位，力線是認識電磁現象必不可少的部分，它甚至比產生或匯集力線的源更具有研究價值。基于力線的思想，1832年3月12日，他在文稿中寫道：“……使我相信，磁的作用是漸進的，是需要時間的。”這是物理學史上第一次認真地向力的超距作用概念提出的挑戰。在法拉第看來，“空的空間”其實根本不是空的，而是充斥著能使遙遠的物體移動的力線。由于法拉第早年窮困，未能接受足夠的數學教育，因此他的筆記本中密密麻麻的不是等式，而是這些力線的手繪圖表。具有諷刺意味的是，數學訓練的不足使他創造了如今任何物理課本中都可以看到的、美麗的力線圖表。從科學上來說，物理圖象通常比用來對其進行描述的數學語言更為重要。

當時法拉第的力場曾經被視為毫無用處，是無所事事的隨意涂鴉。但法拉第有一個堅定信念——自然界的各種力相互有關。今天，我們閱讀這一頁所依賴的光線或許就是由法拉第關于電磁學的發現而點亮的。一塊轉動的磁鐵會制造力場，推動一根電線中的電子，使它們以電流的形式移動，其后，這股電線中的電力可以點亮一盞燈泡。與此同樣的原理被用于生產出給全世界城市提供能量的電力。比如，水流過一個大壩，在一個渦輪機中產生巨大的磁力進行轉動，這個渦輪機隨后再推動電線中的電子，形成一股電流，通過高壓電線輸送到用戶。換言之，邁克爾·法拉第的力場是驅動現代文明的動力，從電動推土機到如今的計算機、互聯網都源于力場的發現。

法拉第還有很多發現，人們常常稱他是19世紀最偉大的實驗物理學家，不過他自己更喜歡稱自己是自然哲學家。法拉第具有豐富的直覺想象能力，他的力場在一個半世紀里成為物理學家的靈感之源。麥克斯韋對法拉第的力線思想進行定量的數學描述，建立了電磁場理論。這些力場也給愛因斯坦極大的啟示，他用力場的語言來描述和表達他的引力理論。在物理學界，如果有人說“你思考起來像一根力線”，那便意味著一種高度的贊美。

堅定的信念，執著的追求，頑強的毅力，終于使法拉第獲得成功。endprint