用線描述場(chǎng)——法拉第智慧的結(jié)晶

何花

學(xué)習(xí)了電場(chǎng)后知道，我們知道電場(chǎng)是看不見、摸不著的一種客觀存在的物質(zhì)。然而電場(chǎng)線卻能夠形象化地把電場(chǎng)呈現(xiàn)在我們的眼前，讓我們能夠得心應(yīng)手地處理電磁場(chǎng)中形形色色的問題。到底誰(shuí)會(huì)有如此的智慧？這當(dāng)然要?dú)w功于偉大的英國(guó)科學(xué)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(gè)貧苦的鐵匠家庭里。5歲時(shí)隨父母到倫敦，在一所普通的日校讀書。13歲時(shí)法拉第在書店中當(dāng)學(xué)徒，起初送報(bào)，后學(xué)裝訂，空余時(shí)間自學(xué)化學(xué)和電學(xué)，并動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證書上的內(nèi)容。他在裝訂《不列顛百科全書》時(shí)，偶然看到了“電學(xué)”這個(gè)條目，更加激發(fā)了他對(duì)科學(xué)的熱情。年輕的法拉第為兩種新力量的神秘性質(zhì)被揭開而帶來(lái)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(lái)學(xué)習(xí)與這些問題相關(guān)的知識(shí)。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(xué)講演，并開始參加市哲學(xué)學(xué)會(huì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，受到了自然科學(xué)的基礎(chǔ)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(xì)心筆錄，整理成稿，四次的書稿竟有三四百頁(yè)，用“H·戴維爵士講演錄”作封面。同年10月他寫信給戴維，表達(dá)獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)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(jīng)戴維介紹進(jìn)皇家研究所任實(shí)驗(yàn)室助手。同年10月，隨戴維去歐洲大陸作科學(xué)考察旅行。1815年5月回到皇家研究所，在戴維指導(dǎo)下從事化學(xué)研究。戴維廣博、深邃的知識(shí)，給法拉第以最重要的影響。年復(fù)一年，法拉第已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)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(fā)電機(jī)的發(fā)明。發(fā)電機(jī)能夠?yàn)檎麄€(gè)城市提供能源，并改變了世界文明的進(jìn)程。

法拉第最偉大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵是他提出的“力場(chǎng)法拉第從大量的電磁實(shí)驗(yàn)研究中提出了描繪電磁作用的“力線”思想。他認(rèn)為帶電體和磁體周圍存在著某種特殊的狀態(tài)，他用力線來(lái)描述這種狀態(tài)。他認(rèn)為：力線是物質(zhì)的，充滿了整個(gè)空間，力線密的地方場(chǎng)就強(qiáng)，力線疏的地方場(chǎng)就弱，這些力線像拉緊的橡皮筋，有縱向收縮、橫向擴(kuò)張的趨勢(shì)。力線把異種電荷和異種磁極聯(lián)系起來(lái)，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(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)：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(huì)清楚連成規(guī)則的曲線，從而說(shuō)明空間確實(shí)存在力線，只是平時(shí)看不到，現(xiàn)在用鐵屑模擬出來(lái)了。法拉第通過(guò)力線圖象，使許多電磁現(xiàn)象的定性解釋變得十分簡(jiǎn)單、直觀和形象。法拉第認(rèn)為，力線具有重要的地位，力線是認(rèn)識(shí)電磁現(xiàn)象必不可少的部分，它甚至比產(chǎn)生或匯集力線的源更具有研究?jī)r(jià)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(jìn)的，是需要時(shí)間的。”這是物理學(xué)史上第一次認(rèn)真地向力的超距作用概念提出的挑戰(zhàn)。在法拉第看來(lái)，“空的空間”其實(shí)根本不是空的，而是充斥著能使遙遠(yuǎn)的物體移動(dòng)的力線。由于法拉第早年窮困，未能接受足夠的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)訓(xùn)練的不足使他創(chuàng)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(xué)上來(lái)說(shuō)，物理圖象通常比用來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述的數(shù)學(xué)語(yǔ)言更為重要。

當(dāng)時(shí)法拉第的力場(chǎng)曾經(jīng)被視為毫無(wú)用處，是無(wú)所事事的隨意涂鴉。但法拉第有一個(gè)堅(jiān)定信念——自然界的各種力相互有關(guān)。今天，我們閱讀這一頁(yè)所依賴的光線或許就是由法拉第關(guān)于電磁學(xué)的發(fā)現(xiàn)而點(diǎn)亮的。一塊轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鐵會(huì)制造力場(chǎng)，推動(dòng)一根電線中的電子，使它們以電流的形式移動(dòng)，其后，這股電線中的電力可以點(diǎn)亮一盞燈泡。與此同樣的原理被用于生產(chǎn)出給全世界城市提供能量的電力。比如，水流過(guò)一個(gè)大壩，在一個(gè)渦輪機(jī)中產(chǎn)生巨大的磁力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)渦輪機(jī)隨后再推動(dòng)電線中的電子，形成一股電流，通過(guò)高壓電線輸送到用戶。換言之，邁克爾·法拉第的力場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代文明的動(dòng)力，從電動(dòng)推土機(jī)到如今的計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)都源于力場(chǎng)的發(fā)現(xiàn)。

法拉第還有很多發(fā)現(xiàn)，人們常常稱他是19世紀(jì)最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，不過(guò)他自己更喜歡稱自己是自然哲學(xué)家。法拉第具有豐富的直覺想象能力，他的力場(chǎng)在一個(gè)半世紀(jì)里成為物理學(xué)家的靈感之源。麥克斯韋對(duì)法拉第的力線思想進(jìn)行定量的數(shù)學(xué)描述，建立了電磁場(chǎng)理論。這些力場(chǎng)也給愛因斯坦極大的啟示，他用力場(chǎng)的語(yǔ)言來(lái)描述和表達(dá)他的引力理論。在物理學(xué)界，如果有人說(shuō)“你思考起來(lái)像一根力線”，那便意味著一種高度的贊美。

堅(jiān)定的信念，執(zhí)著的追求，頑強(qiáng)的毅力，終于使法拉第獲得成功。endprint