伟大的发现和科学想象力

在1820年前法拉第已显示出非凡的实验能力，但他更希望自己能成为“自然哲学家”而不仅仅是个“实验家”。在一次市哲学会的演讲中，他说过下面的话：“自然哲学家应当是这样一种人：他愿意倾听每一种意见，却下定决心要自己做出判断。他应当不被表面现象所迷惑，不对某一种假设有偏爱，不属于任何学派，在学术上不盲从大师。他应该重事不重人。真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质，再加上勤勉，那么他确实可以有希望走进自然的圣殿”。（［2］，p285）在法拉第之后40多年的研究生涯中，他就完全按照自己所说的去做，成为一个有高度思辨能力和执著探索精神的思想家。

法拉第一生最伟大的发现（电磁感应）和杰出的科学想象力（“场”的概念的提出）就是在电磁学的研究中做出的，由此开始了自牛顿以来物理学史上的又一次革命。

一、奥斯特的“磁生电”与法拉第的“电磁转动”

1820年丹麦科学家奥斯特（1777—1851）关于“电生磁”的重大发现，更是把在学徒期间早就对电感兴趣的法拉第从化学领域吸引到电和磁领域。在奥斯特实验前，不少物理学家（包括对电学有主要贡献的库仑）都认为电和磁没有联系，但是奥斯特是德国哲学家康德（1724—1804）哲学的忠实信徒。在康德哲学思想影响下，他认为自然界各种基本力是可以相互转化的。他在1812年出版了论文“关于化学力和电力的统一性的研究”。同时，他深信电和磁有联系，他要用实验来证明电流有磁效应。1820年4月的一个晚上，奥斯特向听众演讲有关电和磁的问题。在做演示实验时，当他接通电源有电流通过导线的一瞬间，他发现导线下方与通电导线平行放置的小磁针有一轻微晃动（见图3－4）。这一晃动并没有给听众留下任何印象，可是奥斯特却激动万分，这正是他盼望多年的结果。因为小磁针的晃动说明受到了一种磁力^[4]，这正是来自电流的磁效应的表现。正如法国著名微生物学家、化学家巴斯德（1822—1895）后来在讲述奥斯特发现电流磁效应的故事时所说的那句著名的格言：“在观察的领域里，机遇只偏爱那些有准备的头脑。”（［6］，p78）对奥斯特的发现，法拉第给予了高度的评价：“它猛然打开了一个科学领域的大门，那里过去是一片漆黑，如今充满了光明。”（［2］，p126）

图3－4　奥斯特发现电流磁效应实验：与通电导线平行的磁针受到一个转向与导线垂直方向的磁力作用

图3－5　在法拉第《电的实验研究》第二卷中证明电磁旋转的实验（取自［3］，p132）

在奥斯特实验启发下，法拉第于1821年9月设计了“电磁旋转”实验装置（见图3－5）。（［3］，p132）图的左方表示一个盛满水银的杯子，把载流导线浸在其中。一根细的长条形磁体放在导线旁，磁体一极被用细丝拴在杯底，当电流通过导线（导线上端和杯中水银分别与伏打电池连接）时，露在水银外的磁体的上磁极将会绕通电导线旋转。图的右方是一个相似实验，只是其中磁体固定在杯中央，通电后是通电导线绕磁体旋转。法拉第的实验成功了，他观察到了“电磁旋转”现象，在实验室里高兴得手舞足蹈，这是他在电磁领域第一项杰出的发现。实际上，这正是世界上第一个电动机的原型。通上电流的导线在磁力作用下会转动，如果导线变为线圈，并通以大电流，使之在强磁场中产生大的转动力，足以带动机器转动，这不就是电动机吗？但是法拉第没有将精力花在如何设法把他的重要发现推向应用，想得更多的是要进一步探索电和磁的关系，揭示电磁相互作用的本质。

法拉第却未料到这一发现将会带来一场风波。这一风波曾给法拉第带来很大影响，这里作一简单介绍。原来早在法拉第实验之前的1821年4月，皇家学院的一位资深理事沃拉斯顿教授（1766—1828）兴冲冲来到皇家学院实验室，找到他的老朋友戴维，取出一张草图（见图3－6）。他认为有作用就有反作用，奥斯特实验（通电导线使磁针偏转）的反过程也能实现，即当一个磁棒如图3－6所示移近夹在两个金属碗形槽中间的通电导线时，导线会绕自己的轴转动（自转），两人立即动手做起实验来，结果实验一直没成功。在此期间，沃拉斯顿也向法拉第请教过如何减小导线与金属碗之间的摩擦。

显然，不同于沃拉斯顿所设计的通电导线在磁力作用下的“自转”，法拉第设计的实验是通电导线在磁力作用下绕磁体的转动，即“公转”。所以在“电磁转动”实验成功之后，法拉第就计划写一篇报告，报道自己重要的实验结果。当时他想到要提一下沃拉斯顿的工作，并且要说明两个实验设计的区别。不巧的是沃拉斯顿出外旅行，戴维当时也不在伦敦，法拉第认为如果没有征得本人同意，贸然引用他们失败的实验，恐怕不妥。同时由于急于发表，他把报告寄给《科学季刊》，就和夫人去度假了。正是这一仓促发表，引来了一场“风波”。（［2］，p136；［3］，p133）

1821年10月法拉第度假回到皇家学院，听到的不是对他电磁转动实验成功的赞扬，而是风言风语、蛮不讲理的指责，他的电磁转动实验“剽窃了沃拉斯顿的研究成果”，并且“不顾脸面”、“不打招呼就抢先发表论文”等等。事实完全不是如此，这使法拉第感到十分痛苦，这是他生平第一次在荣誉和人格上受到别人怀疑和指责。对此，法拉第的态度是一方面继续勤奋工作，以更多成绩来证明自己的能力和清白；另一方面他直接给沃拉斯顿写信要求与他面谈，信中写道：“如果我做了什么对不起人的事，那是完全无意的。指责我不诚实是没有事实根据的。先生，我冒昧请求你给我几分钟时间，我想和你谈谈这个问题。我想和你谈，是由于这样的原因——我能为自己辩白——我对你是感激的——我对你是尊敬的——我渴望人家能消除那些毫无根据的对我的坏印象——如果我做了什么错事，我可以道歉。”（［2］，p141）沃拉斯顿是一个性情温和、心胸大度的人，对一些谎言也不大在意。看了法拉第态度真诚的信，他以热情而大度的态度回复，“……假使你有充分理由，能够说明你没有不正当地使用人家的建议，那么在我看来，为了这件事情伤脑筋，实在大可不必。不过，如果你愿意和我谈谈，那么明天早晨有便的话，请在十点到十点半之间来找我，我将恭候。”（［2］，p143）第二天早晨两人进行了亲切和诚恳的交谈，误会消除了，沃拉斯顿和法拉第的关系更接近了，后来沃拉斯顿还亲自到皇家学院实验室来看法拉第的“电磁转动”实验，并对法拉第富有想象和构思巧妙的设计表示赞赏。这场风波也逐渐平息了。

图3－6　沃拉斯顿设想的导线在磁力作用下的“自转”

这场风波给法拉第留下了不小的创伤，那是因为他的恩师戴维由于嫉妒之心，他容不得学生超过老师，助手超过教授，所以他看不见、也不愿看见沃拉斯顿实验和法拉第实验的根本区别，以及法拉第一贯为人诚实、埋头苦干和非凡的实验工作能力。1823年，由于在化学和电磁学研究方面的杰出成就，皇家学会的一些会员联名提议法拉第为皇家学会会员候选人，其中带头签名的正是沃拉斯顿教授。可是当戴维知道后，竟要法拉第自己撤回候选人资格，遭到了法拉第的拒绝。此事拖延了半年，直到1824年1月才举行选举，法拉第当选了，仅有一张反对票。虽是无记名投票，但这一张反对票谁都知道是戴维投的。这又一次伤透了法拉第的心，多年的师生情正在法拉第心中逐渐消失。

值得庆幸的是，由于法拉第一项接一项的科学成果在皇家学院影响很大，戴维也看在眼里，记在心里，1825年2月法拉第被任命为皇家学院实验室主任，而提名人正是戴维。1829年5月29日，戴维由于中风在日内瓦去世，享年51岁。据说，在他病中有人问他一生中最伟大的发现是什么？他回答说：“我最伟大的发现是法拉第。”（［2］，p174）同样，法拉第也表示他永远不会忘记恩师戴维曾经对他的关心、帮助和提携。平时，他也总请别人不要总说戴维的短处，而要记得他的许多长处。他还捐钱在戴维家乡建立纪念碑。（［2］，p290）

二、伟大的发现——电磁感应

法拉第对电磁研究感兴趣，他决不满足于“电磁转动”的发现，因为它只是类似奥斯特实验的另一种表现，他深入想到奥斯特实验最大的贡献是给出电和磁之间的联系——电能产生磁。磁一定也能转变成电。那么，如何“把磁转变成电呢？”这正是1821年法拉第在日记里记下的一句话，并一直放在心中。

大量的寻找“磁生电”的实验研究都失败了，但是法拉第从不轻易认输。一个重要原因是法拉第和奥斯特都受到康德哲学思想的影响，认为自然界是统一的、和谐的，深信“自然界各种基本力的统一性”，并追求这种统一。在他的编号为“2146”的实验记录中，他写下如下一段话：“长期以来，我就持有一种观点，几乎是一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的，就是物质的力表现出来时所具有的各种形态，都有一个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，也是相互依赖的，所以它们似乎是可以相互转化的。”（［4］，p148）由此出发，法拉第坚信既然电能产生磁，则磁一定能产生电。为此，在他的口袋里总放着一个小的电磁线圈，时刻提醒自己要不断思考磁产生电的实验研究。

工夫不负有心人，1831年8月他获得了一生中最伟大的发现，完成了一项也许是19世纪最伟大的实验，他发现了磁生电的途径。在8月29日的实验日记里他记下了这个实验的全过程：（［3］，p133）

（1）用软铁弯成一个圆铁环（见图3－7），铁环粗英寸，外径6英寸。在A这一边，绕有3个线圈（有6个端点），彼此绝缘，每个线圈用24英尺长的铜线绕成。它们可以连接成一个线圈，也可分开使用。中间空开一点距离，在环的另一边B上用两根铜线绕两个线圈（有4个端点），总线长为60英尺，绕向和前述线圈相同。

想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力是概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。

爱因斯坦（1879—1955）（［9］，p284）

心语　任何科学想象（或创新思维）应该是植根于广博的科学知识的土壤里，也是长期经验积累的结果。切忌好高骛远，脱离实际。

（2）然后把10个电池联在一起，每个电池极板的面积是4平方英寸。把B边的两个线圈连成一个线圈，把它的两个端点用一根铜线连接起来，这根铜线安放在一个离铁环有3英尺远的磁针上面。

（3）接着将A边的一个线圈的两端与这组电池连接起来。实验发现，当接通电源和断开电源的瞬间，都可以观察到磁针的晃动，但很快就停止晃动，回到原来的平衡位置（正是奥斯特实验的结果）。如果把A边3个线圈连成一个线圈，重复实验发现对磁针的影响比一个线圈时强得多。

由此实验显而易见在A线圈中电流接通或切断瞬间在磁针上的铜线中有电流通过，也就是说在未接电池的B线圈中在此瞬间也有电流通过，这种电流称为感应电流。一旦A线圈中电流稳定后，在B线圈中的感应电流也就没有了，磁针就停在了原来的平衡位置。由此法拉第想到一种可能的合理解释：线圈A接上和断开电流瞬间，必然在线圈A附近的磁力发生迅速变化（从无到有或从有到无），由于铁芯的效果，这种变化更为明显（1825年科学家已发明了电磁铁）。这种迅速变化的磁效应通过B线圈时就在其中产生感应电流。当线圈A中电流稳定后就没有这种磁力的变化，B线圈中就没有了感应电流。

图3－7　法拉第在日记中所画的电磁感应实验的草图（取自［3］，p133）

图3－8　磁铁相对线圈运动，在线圈中产生感应电流

根据这种物理解释，法拉第立刻想到是否可不用电流的接上和断开，而直接用磁铁与线圈的相对运动来使线圈感受到这种磁的变化，从而在线圈中产生感应电流呢？于是他马上又设计了一个新的实验，如图3－8所示。他直接用磁棒在线圈内作上下相对运动代替上述实验中铁环的磁力变化。实验成功了！当磁棒与线圈相对运动时，在线圈中果然也有感应电流产生，电流计指针发生偏转，电流大小与相对运动速率成正比，且插入和拔出时所产生的感应电流方向相反。一旦运动停止，感应电流立即消失。在1831年10月17日的实验日记中，他记下了这个实验结果。上述的两个实验充分说明“磁能产生电”，更明确地讲是“变化的磁能产生电”。这么多年来法拉第的“磁生电”的梦想终于实现了！对上述图3－7所示的磁生电的实验，法拉第称之为“伏打电感应”，图3－8所示的实验称之为“磁电感应”，后来被统称为“电磁感应”。显然，“伏打电感应”是变压器的原型，而“磁电感应”孕育了发电机的诞生。法拉第的伟大发现为电气化时代的到来奠定了坚实基础。

从1820年奥斯特发现“电生磁”到1831年法拉第发现“磁生电”经过了11年的时间，在这期间全世界许多科学家都在寻找“磁生电”的途径，可是都失败了，而法拉第成功了，并在皇家学会报告了自己的重大实验成果，很快他的伟大发现赢得了全世界科学界的称颂。英国的科学声誉也随之有很大提高。为了纪念电磁感应发现100周年，1931年在伦敦举行了盛大的庆祝活动。

三、杰出的科学想象力——“场”概念的提出

图3－9　法拉第《电的实验研究》第3卷中的铁屑显示磁力线的实验（取自［3］，p137）

在上述实验基础上，法拉第又进一步思考如何用实验来显示这种磁力。1831年11月24日在皇家学会法拉第给出了一个演示磁铁周围磁力分布的实验。他在一张薄纸上撒上铁粉，紧贴纸片下方放一根条形磁铁，用手轻轻敲弹纸片，上面的铁粉就形成有规则的曲线分布（见图3－9），这些曲线被称为磁力线（现又称磁感应线）。磁力线的密集程度反映了磁力的强弱，越密处磁力越强，两者成正比。磁力线的切线方向是磁力方向，即磁针（北极）的指向。实验也表明在通电导线和通电线圈周围都有相应的磁力线分布，磁针在它们周围同样受到磁力作用。这充分说明布满磁力线的空间是一个物理空间。由此，在上述两个电磁感应实验中，产生感应电流的根本原因是由于通过线圈的磁力线发生变化，或者是相对磁棒运动的线圈切割磁力线的结果。

在上述实验基础上，善于思考、富有想象力的法拉第提出了他的新观点。在1832年3月12日，他写了一封密信，实是一份文件，题名为“新观点”，要求封存在皇家学院。新观点的内容如下：（［2］，p227；［1］，p158）

最近我用“电的实验研究”这个题目，向皇家学院宣读了两篇论文。把其中的一些研究成果和由此提出的观点，同其他想法和实验联系在一起考虑，使我相信磁的作用是渐进的，是需要时间的；也就是说，当一块磁铁对远处的磁铁或铁块发生作用的时候，作用力的起因（我暂时把它叫做磁性）逐渐从磁性物体向外传，它的传播需要时间，将来或许会发现，这样的推断是很合理的。

我也想，有理由假设，电（势）的感应也是用类似的渐进方式进行的。

我倾向于把磁力的从磁极向外传播比作受扰动的水面的振动，或者比作声音现象中空气的振动；也就是说，我倾向于认为，振动理论将适用于电和磁的现象，正像它适用于声音，同时又很可能适用于光那样。

这些想法我希望能用实验实现，但是由于我的许多时间用在公务上，这些实验可能拖延时日。在实验进行的过程中，这些现象可能被他人首先观察到。我希望，通过把本文件存放在皇家学会的文件柜里，如果将来我的观点被实验证实，我就有权声明，在某一确定的日期，我已经有了这样的观点。就我所知，在目前除我本人外，没人认识到或能够提出这样的观点。

迈·法拉第于皇家学院

1832年3月12日

在这封密信中，他不仅明确提出磁力不是超距作用，是近距作用，敢于与当时英国科学界普遍认同的力的超距作用挑战；而且他提出磁力是以振动的方式向外传播，像声音和光的传播一样。这封密信一直到1938年才被发现和拆开，引起科学界震惊。

由此可见，早在1865年麦克斯韦从理论上预言电磁波之前，法拉第已预言了电磁波的可能性，并且提出了这种电磁波与光波的类似性，这是多么了不起的预言！

事实上，不仅对磁力，法拉第认为电荷之间相互作用的电力（库仑力）也不是超距作用，也需要一定的传播时间，当然与磁力传播一样时间非常短。像磁极一样在电荷周围也有电力线分布，即电荷周围也是物理空间。这里不作仔细研究。

在1832年以后，法拉第更是埋头实验室工作，且更多地把精力用在“电的实验研究”方面，但是由于长期工作劳累，他常感到疲劳、头晕、记忆力衰退，在1840年他病情严重，患上神经衰弱症。发病时记忆力甚至差到记不得从头到尾一句完整的话，手抽筋发抖甚至难以完整写完一封信，以致很长时间无法工作，直到1845年他的病情才有大的好转。1939年法拉第的重要著作《电学实验研究》第一卷出版，生病的这段时间他还是坚持为第二卷的出版作准备工作，并于1844年出版了《电学实验研究》的第二卷。第三卷直到1855年才出版，间隔较长。这部包含三卷本的巨著，汇集了法拉第在电、磁、光等方面的研究成果，凝聚了他的毕生心血，是法拉第留给后人的最宝贵的财富。

在一系列实验基础上，极具科学想象力的法拉第于1845年明确提出布满磁力线的物理空间为“磁场”。尽管磁场看不见、摸不着，但它是实实在在存在的，磁体之间、磁体与电流之间以及电流之间的相互作用都是通过“磁场”传递的。同样，带电体间相互作用是通过“电场”来传递的。“场”概念的引入可以非常简单、直观地对上述一些用牛顿力学无法解释的电磁相互作用实验做出物理解释。

如对奥斯特实验，利用牛顿力学无法解释通电导线能对磁针产生一种新的旋转力，使之转动。因为按照牛顿力学，两物体间的相互作用力应在它们的连线上，且不需要时间（超距作用）。实际是因为在通电导线周围产生了磁场，是磁作用力使磁针发生旋转，而且后来电磁波的实验也确实证明电磁力不是超距作用。同样，对法拉第的电磁感应实验，牛顿力学也无法做出解释。在电磁感应实验中，我们讲的“磁力”的变化，正是来自“磁场”的变化。所以引入“场”概念后，法拉第的电磁感应可简述为：由于通过线圈的磁场随时间的变化在其周围产生了电场。在这种感应电场（又称“感应电动势”）的作用下，使线圈中产生了相应的感应电流。

20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦对“场”概念给予了高度评价：“这是自牛顿时代以来最重要的发明。……这需要很大的科学想象力才能理解。”（［7］，p180）因为场概念是高度创新思维的产物，颠覆了传统概念，富有革命性，所以遭到不少人的怀疑和反对。遭到反对的另一原因是因为法拉第尽管实验水平高超，但自小缺乏数学基础，所以无法像牛顿力学能够给出物体在受力下的运动方程一样，用数学语言从理论上来描写“场”的运动变化，从而使“场”的理论更有说服力。

科学发展自有后来人。伟大的物理学家麦克斯韦（1831—1879）1831年6月13日生于爱丁堡，父亲是爱丁堡大学建筑学教授。麦克斯韦自幼热爱数学，在爱丁堡大学毕业后，又进入剑桥大学深造，1852年成为剑桥大学三一学院的研究员。他读了法拉第的《电学实验研究》一书后，被一系列精彩的实验和充满想象力的场和力线的新颖观点所吸引，并深感“场”概念的革命性。但他同时也感到美中不足的是理论上缺乏严格的数学描述。在1856年以后，他以法拉第的工作为出发点，对法拉第等前辈科学家的工作加以总结和提高，于1865年成功地用精确的数学语言给出了描写电磁场运动的基本方程，因为用到4个联立方程，称为麦克斯韦方程组。根据这个方程组麦克斯韦预言了电磁波的存在，并且从理论上导出在真空中电磁波的传播速度即为光速，所以提出了光是电磁波的论断，使电、磁、光都统一起来。

电磁波是如何产生的呢？电磁波实际是交变电磁场从振源向远处的传播。由法拉第电磁感应实验可知磁场的变化可在其周围产生电场，同样麦克斯韦鉴于电磁的统一性提出电场的变化也能在其周围产生磁场的重要假设，于是通过电磁场的不断交替变化和产生形成向外传播的电磁波（见图3－10）。特别要指出的是，当产生电磁波的振源消失后，已产生的电磁波仍在向外传播，直到它被接收或传播过程中它的能量完全损失为止。可见电场、磁场可脱离产生源，类似通常的物体，能带着能量在空间传播出去。平时收听的广播、收看的电视、手机上的短信等，都是通过电磁波传送的。电磁波的存在，也证实了法拉第所提出的电磁相互作用是近距作用的观点是完全正确的。

图3－10　电磁波的形成和传播

麦克斯韦的电磁场理论同样新颖、富有创造性。他预言的电磁波是否存在呢？这必须要依靠实验来检验。30年后的1886年10月，德国物理学家赫兹（H．R．Hertz，1857—1894）用实验证实了电磁波的存在。另外，赫兹还证明了电磁波不仅传播速度与光速相同，还具有类似光的特性，如反射、折射、衍射、偏振等，完全证实了麦克斯韦的预言，有力证明了麦克斯韦理论和法拉第“场”概念的正确性和革命性。遗憾的是，法拉第和麦克斯韦两人都没有看到电磁场理论的最终胜利。