貧苦出身、小學畢業的訂書工成長為電學之父的傳奇一生

自第二次物理學的大奇蹟年之後,加上二戰的戰爭催化,人類迅速進入了航天時代和原子能時代,然而無論航天旅行和原子能武器的對人類未來的意義多麼深遠,但對於普通人的日常生活相對來說起不了什麼作用,現代人無時無刻離不開的,除了空氣,就是電力(別說是網絡,網絡也離不開電),事實上沒有哪一項技術能像電的使用那樣完全地滲入普通人的世界。

許多人對電學都做出過貢獻,安德烈·安培、亞歷山德羅·伏特、漢斯·奧斯特、查爾斯·庫侖等都是非常重要的人物,但沒有人否認,真正打下電磁學大廈地基甚至奠定今時今日電力重要作用和規格的(比如交流電),是一個出身貧寒,小學畢業,自學成才的訂書工——邁克爾·法拉第,他身兼英國物理學家、化學家,發明家三種身份,被公認為是電學之父、交流電之父。更牛的是,法拉第是最後一位不用數學進行研究的物理學巨匠,這倒並不一定是他不想,而是他從來沒有學過數學。

貧苦出身、小學畢業的訂書工成長為電學之父的傳奇一生

正是在法拉第的基礎上,善於使用數學工具、與偉大的牛頓、愛因斯坦、楊振寧齊名的英國數學物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋才橫空出世,最終史詩般的將電和磁合二為一。

出身貧寒一度被看成是“僕人”

1791年9月22日,法拉第出生在薩里郡紐因頓一個貧苦鐵匠家庭。

由於他的鐵匠父親軟弱無能,收入微薄,因而法拉第幼年時沒有受過正規教育,只讀了兩年小學就只能輟學去當童工。一開始他在街上當報童。之後又到一個書商兼訂書匠的家裡當學徒,命運在這裡開始分叉,如同很多文革時期下鄉的青年,有人渾渾噩噩度日,有人背英文詞典,命運總是垂青努力的人。訂書店裡各種書籍堆積如山,法拉第沒有浪費這近在眼前的“財富”,在努力工作之餘,他帶著強烈的求知慾望,如飢似渴地閱讀各類書籍,汲取了許多自然科學方面的知識,對他影響最大的就是直到現在也是世界上最知名也是最權威的《大英百科全書》。

有一天,一位得到法拉第熱情幫助的顧客送給他一張到皇家研究院去聆聽著名英國化學家漢弗萊·戴維演講的門票,這讓法拉第大為激動。戴維在演講時,法拉第一邊全神貫注地聽,一邊一字不漏地記筆記。講座結束後,他滿懷期待地把字跡整潔的筆記交給戴維,戴維對筆記的準確性感到震驚,這讓他記住了這個訂書工。

很快,皇家研究院解僱了一個實驗助理,戴維便把這個機會給了法拉第,這一年,他剛滿20歲。

貧苦出身、小學畢業的訂書工成長為電學之父的傳奇一生

法拉第剛到皇家研究院的時候負責替戴維解決化學問題,他在實驗室裡的表現出類拔萃,還一直堅持寬泛的科普閱讀。作為一名虔誠的新教徒,法拉第為教會做了很多事,而宗教信仰也指引著他的科學探索。簡單來說,法拉第認為是上帝把宇宙創造成現在這個樣子,但是人類有能力揭開宇宙萬物和諧共存的奧秘。

法拉第勤奮好學,工作努力,很受戴維器重,在進入皇家研究院不長,便在1813年10月陪同戴維夫婦前往歐洲旅行,他的公開身份是僕人,但大神就是大神,他從來沒有計較這些虛名,也毫不自卑,而把這次考察當做學習的好機會。他見到了歐洲許多著名的科學家,參加了各種學術交流活動,還順便學會了法語和意大利語。大大開闊了眼界,增長了見識。

導師“放手”成就一代電磁學大師

1819年,戴維被封為男爵,這讓他異常興奮,經常以此身份出席各種活動。在這個階段,有些證據指出戴維可能有意阻礙法拉第在科學界的發展。如戴維指派法拉第進行光學玻璃實驗,此實驗歷時六年,但沒有顯著的進展。

戴維對權力的熱衷給了法拉第獨立發展的機會,法拉第從化學轉而研究自己關注的電和磁的關係。

1820年,丹麥物理學家克里斯蒂安·奧斯特發現了電流的磁效應:控制電流可以產生磁場。磁力早已廣為人知,金屬指針總是指北的羅盤也一直為人所用。航海員開始使用羅盤遠早於哥倫布發現美洲,自然哲學家深陷於為什麼只有少數物質(比如金屬)能夠被磁化而多數不能的困惑之中。事實上,羅盤保持固定指向意味著地球本身就是一塊巨大的磁石。

奧斯特的電磁學引發了新的科學浪潮,法拉第迎難而上。1821年9月,他為科學史上最耀眼的實驗又添一筆。他用電線圈住一根小磁針,電流通過的時候磁針不停地旋轉。電流經過電線圈的時候創造的磁場持續地吸引小針,迫使它一圈一圈地打轉。法拉第領悟到它的非凡之處,稱之為“力線”作用。他首次把電能(電流)轉換成機械能(旋轉磁針的運動或動力)。他為所有發電機提供了工作原理。洗衣機、CD播放器、吸塵器都是對電能轉換的日常應用。根據這種設想,他成功地發明了一種簡單的裝置。在裝置內,只要有電流通過線路,線路就會繞著一塊磁鐵不停地轉動。事實上法拉第發明的是第一臺電動機,是第一臺使用電流將物體運動的裝置。雖然裝置簡陋,但它卻是今天世界上使用的所有電動機的祖先。

貧苦出身、小學畢業的訂書工成長為電學之父的傳奇一生

1831年法拉第發現當一塊磁鐵穿過一個閉合線路時,線路內就會有電流產生,這個效應叫電磁感應,產生的電流叫感應電流。一般認為法拉第的電磁感應定律是他的一項最偉大的貢獻。

法拉第在接下來的30年中矢志不渝地研究電和磁。他是有史以來最有天賦的實驗者之一,規劃縝密、執行精細。法拉第沒有學過數學,所以他的科學報告看起來更像是實驗記錄:極其詳細的儀器記錄、嚴謹的操作過程和具體的觀察結果。他的研究加深了科學家對電荷在化學反應中所扮演的角色的理解。19世紀30年代初期,法拉第發明了發電機和變壓器。他的發電機依靠一塊永久性磁鐵在金屬圈裡的進進出出產生電流。他的變壓器則利用一股貫穿鐵環單面線圈的電流,使另一面線圈產生短暫的電流。法拉第知道這些實驗外表粗糙卻內涵豐富。今天,電和磁的關係、電能轉換成機械能簡直在維持著我們的世界的運轉。

在大西洋彼岸,電和磁的狂熱帶來了另一個改變世界的事物:電報。通過電線傳遞信號始於19世紀初,但是第一份長途電報直到1844年才經美國人塞繆爾·莫爾斯之手發出。他的信息從華盛頓國會大廈越過38英里傳到了巴爾的摩(用的是以他的名字冠名的莫爾斯碼)。電報通信在世界迅速發展:英國用它與鞭長莫及的帝國前哨聯繫,人與人之間的快捷溝通得以實現,新聞的快速報道也成為現實。

偉大的創舉

法拉第作為一名天才的電學大師,在電磁學的新領域中樹立起了前進的路標。1837年他引入了電場和磁場的概念,指出電和磁的周圍都有場的存在,這打破了牛頓力學“超距作用”的傳統觀念。1838年,他提出了電力線的新概念來解釋電、磁現象,這是物理學理論上的一次重大突破。1843年,法拉第用有名的“冰桶實驗”,證明了電荷守恆定律。

1845年,在經歷了無數次失敗之後,他終於發現了“磁光效應”。他用實驗證實了光和磁的相互作用,為電、磁和光的統一理論奠定了基礎。7年之後,他又在“磁光效應”中引進了磁力線的概念,從而為經典電磁學理論的建立奠定了基礎。後來,英國物理學家麥克斯韋用數學工具研究法拉第的磁力線理論,最後完成了經典電磁學理論。

但是,對後世影響更大的則是法拉第的“場”(field)論,可以說永遠改變了人類文明的走向。如果有人將鐵屑灑在一塊磁鐵上,他會發現鐵屑將呈現一種充滿整個空間的蜘蛛網狀,這就是法拉第的力線,以圖形的形式描繪出了電和磁的力場在空間如何散佈。舉例來說,如果有人繪出整個地球的磁場,他會發現力線從N極地區伸出,然後在S極地區落回到地球上。同樣的,如果有人畫出雷陣雨中一枚避雷針的電場線,他會發現力線集中在避雷針的尖端。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,這成為了現代科學最重要的概念之一,事實上,現代物理學都是用法拉第的力場語言寫就的,併成為了一個半世紀裡物理學家的靈感之源。比如它給愛因斯坦極大的啟示,他用場論的語言來描述和表達他的引力理論——相對論(場論)。楊振寧與學生米爾斯提出的楊—米爾斯理論最終化為規範場論成為了現代量子力學的基礎;同樣的,加來道雄也被法拉第的成果所啟迪。多年前,加來道雄成功地運用法拉第的力場表現了弦理論(theory of strings),從而建立了弦場論(string field theory)。

貧苦出身、小學畢業的訂書工成長為電學之父的傳奇一生

歷史證明法拉第的很多力學成就潛能無限。後來的物理學家不但在此基礎上繼續研究,而且用更準確的數學語言描述了電、磁和在探索中遇到的其他物理現象。法拉第是最後一位不用數學進行研究的物理學巨匠。


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