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法拉第:麦克斯韦背后的男人

法拉第:麦克斯韦背后的男人

作者: 科学史话 | 来源:发表于2019-01-19 15:45 被阅读86次

    一 光电神话——成功男人麦克斯韦

    "你是光,你是电,你是唯一的神话",歌声响起的时候,我眼前闪过的不是那三个蹦蹦跳跳的小女孩,而是一个睿智的英俊少年,是的,他就是光,他就是电,他就是唯一的神话,他就是Superstar——詹姆斯.克拉克.麦克斯韦。

    少年麦克斯韦

    麦克斯韦惊才绝艳,15岁时就发表数学论文,34时就写出了物理学史上最优美的方程,与牛顿爵士一样,同是天神下凡,牛顿爵士统一了天和地,带领人类走出蒙昧时代,麦克斯韦则一统电和磁,带领人类走进现代文明。

    麦克斯韦方程组

    1873年,麦克斯韦发表巨著《电磁学通论》,这是一部划时代的著作,和牛顿的《论自然哲学的数学原理》,达尔文的《物种起源》齐名,可惜天妒英才,完成《电磁学通论》六年后,年仅48岁的麦克斯韦就被上帝召唤而去。

    麦克斯韦能在短短数年内,将电磁学臻至完美,堪称史上最成功的男人,俗话说"每一个成功男人的背后,都有一个伟大的女人",而在成功男人麦克斯韦的背后,却还是一个伟大的男人。

    二 天降大任——法拉第的巨大贡献

    曾"夺权杖于暴君"的本杰明.富兰克林,也"扼闪电于长空",从他著名的"风筝实验"起,人类就对自然中电这种巨大能量起了觊觎之心。

    富兰克林的风筝实验

    1800年,意大利物理学家伏特发明了伏打电堆,这立刻成为了科学家们的新宠,大家都玩的不亦乐乎,可除了科学研究之外,如何把电用之于民呢?大家都一筹莫展,只好等待,等待法拉第的出现。

    迈克尔.法拉第,1791年出生于英国,父亲是一名铁匠,如果不是牛顿,法拉第就会成为子承父业,可是由于牛爵爷主导的第一次工业革命,铁匠这个本来有大好前途的职业,迅速衰落,法拉第家自是门前冷落,甚至难以糊口。

    帅大叔法拉第

    牛爵爷虽然是少年孤苦,可还能完成学业,少年法拉第却只读了两年小学,就要担负起养家糊口的重任。

    俗话说"人丑就要多读书",英俊少年法拉第见识非凡,深知"人穷更要多读书",法拉第投身于当时的朝阳产业——出版业,当了一名报童,当时的报童并不是今天的快递小哥,一个称职的快递小哥不能品尝一下客户的美食,也不能试用一下客户的商品,而报童却可以随时享用客户的商品,一个称职的报童更要博览群书,而且还要精通书籍的装帧设计,这么说吧,当时的报童就相当于今天的图书管理员,这份职业前途太远大了。

    少年法拉第就这样一头扎进了知识的海洋,不但看文学类,而且更喜欢自然科学,要知道,当时的大英帝国,最走流量的不是各类娱乐明星,而是科学家,英国皇家科学会的每一次演讲都是万人空巷,科学家的一言一行引起的关注都远超今天的网红。

    不过法拉第也只能徘徊在皇家科学院的门外,听大师的演讲时要门票的,报童的收入仅能糊口,是无法走进演讲大厅的,不过机会还是有的,因为当时机械式印刷机还没有出现,书籍昂贵,读书看报都是上流社会的事情,法拉第接触的也都是各界名流,机缘凑巧,法拉第得到了几张赠票,由此走进了皇家学院的大门,法拉第终于见到了心中的偶像——皇家科学院院长戴维爵士。

    电解狂魔——戴维

    戴维,号称"电解狂魔",在电化学领域玩的最嗨,实验手法简单粗暴,无论什么化合物,直接熔融电解,靠这种手法,戴维发现了钾、纳、镁、钙、锶、钡、硅、硼、氯、碘等化学元素,成为发现化学元素最多的科学家,现在荼毒留学生的笑气也是他的发现。

    听了多次演讲后,法拉第把戴维演讲的内容整理成册,装帧成书,寄给了戴维,戴维见到书后大吃一惊,要知道戴维是实验物理学家,又少年成名,行事不拘小节,实验时任性而为,能不能下次重复自己的实验自己都说不准,实验记录自然潦草,见到如此良质美材,难免食指大动,辗转反侧之后,戴维决定招法拉第进入皇家学会实验室打杂,由此可见,学会一门技术是多么重要。

    此时作为出版界资深人士的法拉第,正在奔小康的路上,老婆孩子热炕头的美好生活在向他招手,但作为科学的迷弟,怎么可能会被这种小目标诱惑呢?法拉第高兴地接受了戴维的邀请,重新当上了学徒。

    理想很丰满,但现实总是很骨感,本以为可以大展身手的法拉第却被现实碰了个头破血流,戴维爵士真的把法拉第当成了学徒、跟班,只是让法拉第做些辅助工作,甚至包括给戴维爵士刷洗大衣。

    孟子曾说过"故天将降大任于是人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤,空伐其身,行弗乱其所为,所以动心忍性,曾益其所不能"。现在对于法拉第来说已经"苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤,空伐其身"了,所幸法拉第没有"行弗乱其所为",而是"动心忍性,曾益其所不能",协助戴维爵士发现了碘元素,证明了金刚石的成分就是碳。

    机会还是来了,1820年,丹麦科学家奥斯特发现通电导线旁的小磁针可以偏转,同年,安培发现了电流周围产生的磁场方向问题的安培定律,但实验也到此为止,因为谁也没有办法让小磁针有进一步动作。

    法拉第重复了实验,也是一筹莫展,1821年9月3日,法拉第灵机一动,电流可以让磁针转动,那么反过来会怎么样呢?磁铁会不会驱动导线动作呢?这一闪念堪比落在牛顿头上的苹果。

    为了减少摩擦,法拉第用漂浮在水银上的铜导线进行实验,结果发现,这根铜线,可以飞快的转动,这就是人类历史上第一台电动机。

    第一台电动机

    可不巧的是,老板戴维此时并没有在伦敦,要想立刻找到戴老板汇报工作可不是件容易事,要知道,无论电报电话包括手机都要依赖法拉第的发现才能发明出来,那个时代的通信手段都要靠马车帆船,而这个发现又不是牛爵爷那种需要严密数学推导的发现,只是个抖机灵的结果,万一哪位大神也福至心灵,重复了这个实验,这发现可就被人抢去了,一切都来不及多想了,法拉第直接把这一发现写成论文投了出去。

    论文并没有给法拉第带来应得的荣誉,反而带来了无尽的烦恼,论文的发表触发了科学界万恶的潜规则,没有经过老板同意,私自发表论文即便在今天也是大逆不道,何况法拉第的老板戴维是当时的学界领袖,而他仅仅是一个小学只读了两年的学徒,各种流言扑面而来,"剽窃""不自量力",一个学者能遭受到的恶毒非议都加到了他的身上,而最清楚他的学识和为人的戴维却意外地保持了沉默。

    英国皇家科学院本来就有内斗的传统,为了科学发现不惜撕破脸皮,前有胡克打压牛顿,后有牛顿撕逼莱布尼茨,戴维光荣地接过了前辈的旗帜,不过戴老板还算厚道,没有亲自出马指责法拉第,而是腹黑地安排法拉第去做光学玻璃研究,生生把法拉第和电磁学割裂开来。

    十年后,戴维去世,法拉第终于回到了电磁学研究领域。

    这十年间,人类一直在寻找产生强大电流的方法,力求使电达到工业应用的地步,不象伏打电池只是科学家在实验室的爱宠,在法拉第离开的十年,人类已经走到了门口,只等法拉第来完成这最后一击。

    1831年10月17日,法拉第把一根磁铁棒插入了线圈,神奇的现象出现了,连通线圈的电流计出现了摆动,这意味着由磁产生了电,但是一瞬间后,电流表又归零了。

    如何得到持续稳定的电流输出呢?10月28日,法拉第用铜盘取代了线圈,在磁铁中转动,终于得到了稳定的电流输出,发电机出现了,人类进入了电气时代。

    圆盘发电机

    三 薪火相传——携手跨越世界之巅

    不过他幼年失学的影响也逐渐显露出来,由于数学基础薄弱,他无法继续完善电磁学理论,他提出了"场"的概念,却只能用形象的语言描述电磁场,场是现代物理学中最基本的概念,也是一个革命性的概念,直接质疑了万有引力的超距作用,而且启发了后来的爱因斯坦,爱因斯坦曾指出:广义相对论就是一种场论。

    正是因为场的提出直接动摇了牛顿力学的基础,引起了科学界的一片质疑,因为牛顿是物理学中的神,对牛顿的任何质疑都无异于亵渎,而且法拉第因为数学基础薄弱,给不出场的数学描述,这更是授人以口实。

    面对质疑,他只能期待上帝的帮助。在法拉第发现电磁感应后不到一个月,麦克斯韦出生了,这就是上帝送给法拉第的礼物。

    1855年,麦克斯韦发表论文《论法拉第的力线》,这是对法拉第研究的数学描述,法拉第看到论文后大喜过望,立刻寻找这个年轻人,可是麦克斯韦却杳如黄鹤,不见踪影。

    1860年,孤独的法拉第终于等来了麦克斯韦,两位伟大的物理学家一见如故,法拉第的观点和麦克斯韦的数学完美地结合在了一起,1865年,麦克斯韦推导出了优美的麦克斯韦方程。

    1867年,看到了电磁学完美证明的法拉第了无遗憾地离开了人世。

    四 生前身后名

    法拉第的科学成就当然无与伦比,他的工作为人类打开了新世界的大门,他不仅是一位杰出的实验物理学家,更是一位伟大的理论物理学家,这一点可以从电磁感应实验看出来。

    电磁感应实验其实瑞士物理学家科林顿之前也曾做过,只是科林顿把电流计放在了隔壁房间,等科林顿跑到隔壁房间的时候,电流表早就归零了。

    这看起来似乎又是命运的眷顾,和十年前电动机实验一样只是一个抖机灵的结果,其实不然,电磁感应实验是他长期深入思考后的有备而发,法拉第首先意识到这次的实验可能只是一个瞬时现象,他才会把电流计放在了身边,而科林顿觉得这是一个稳定的现象,为了减少干扰,才把电流计放到了隔壁。

    他划时代地提出了场的概念,在理论上消除了物质和能量的界限,爱因斯坦的质能方程只不过是他思想的具体化,其意义不亚于牛顿统一天地,也许已经不能用科学家来称呼这个伟大的人了,更应该用哲学家来赞颂他,他是在用思想来理解世界。

    当然,由于数学基础薄弱,他不能完成他思想的数学描述,但是这更凸显了他人格的伟大,戴维爵士继承皇家科学院的传统曾给他设置了许多障碍,伟大的法拉第没有抱怨,反而以德报怨,倾心传授后来者麦克斯韦,成就一段科学史上的佳话。

    法拉第的伟大不仅在对待科学上,伤害过他的,他全部忘记,帮助过他的,他加倍返还。他少年清贫,却放弃了电动机和发电机的专利权;他曾见辱于权贵,却拒绝了被提名为皇家学会会长和授予爵士;他热爱和平,就拒绝制造化学武器:他曾受益于科学演讲,就举办星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。

    如果说法拉第的前半生是自学成才的励志典范,那么他的后半生就是人类的道德高峰,康德曾经说过:"世界上只有两样东西让我敬畏,一个是我头顶灿烂的星空,一个是我心中永恒的道德法则",法拉第完美地将这两者结合在了一起。

    1879年11月15日,完成了《电磁学通论》的麦克斯韦离开了人世,回到了上帝的怀抱,就在同一年,一个婴儿诞生了,这个婴儿就是爱因斯坦,上一次出现这样的巧合还是伽利略和牛顿,又一场物理学革命要开始了。

    爱因斯坦

    爱因斯坦

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