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第5章 發(fā)明電磁感應(yīng)的法拉第

1791年9月22日,邁克爾·法拉第出生在薩里郡紐因頓的一個貧苦的鐵匠家庭里。他的父親是個鐵匠,體弱多病,收入微薄,僅能勉強維持溫飽。但是父親非常注意對孩子們的教育,要求他們勤勞樸實,不要貪圖金錢地位,要做一個正直的人。這對法拉第的思想和性格產(chǎn)生了很大的影響。

由于貧困,法拉第家里無法供他上學(xué),因而法拉第幼年時并沒有受過正規(guī)教育,只讀了兩年小學(xué)。1803年,為生計所迫,他上街頭當(dāng)了報童。第二年又到一個書商兼訂書匠的家里當(dāng)學(xué)徒。訂書店里書籍堆積如山,法拉第帶著強烈的求知欲望,如饑似渴地閱讀各類書籍,汲取了許多自然科學(xué)方面的知識,尤其是《大英百科全書》中關(guān)于電學(xué)的文章,強烈地吸引著他。他努力地將書本知識付諸于實踐當(dāng)中,利用廢舊物品制作靜電起電機(jī),進(jìn)行簡單的化學(xué)和物理實驗。他還與青年朋友們建立了一個學(xué)習(xí)小組,常常在一起討論問題,交換思想。在法拉第一生的科學(xué)活動中貫徹始終的一條原則就是,重視實踐尤其是科學(xué)實驗的特點。

法拉第不放過任何一個學(xué)習(xí)的機(jī)會,在哥哥的資助下,他有幸參加了學(xué)者塔特姆領(lǐng)導(dǎo)的青年科學(xué)組織——倫敦城哲學(xué)會。通過一些活動,他初步掌握了物理、化學(xué)、天文、地質(zhì)、氣象等方面的基礎(chǔ)知識,為以后的研究工作打下了良好基礎(chǔ)。法拉第的好學(xué)精神感動了一位書店的老主顧,在他的幫助下,法拉第有幸聆聽了著名化學(xué)家戴維的演講。他把演講內(nèi)容全部記錄下來并整理清楚,回去和朋友們認(rèn)真討論研究。他還把整理好的演講記錄送給戴維,并且附信,表明自己愿意獻(xiàn)身科學(xué)事業(yè)。結(jié)果他如愿以償,在22歲時做了戴維的實驗助手。從此,法拉第開始了他的科學(xué)生涯。戴維雖然在科學(xué)上有許多了不起的貢獻(xiàn),但他說,我對科學(xué)最大的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了法拉第。

法拉第勤奮好學(xué),工作努力,很受戴維器重。1813年10月,他隨戴維到歐洲大陸國家考察,他的公開身份是仆人,但他并不計較地位,也毫不自卑,而把這次考察當(dāng)作學(xué)習(xí)的好機(jī)會。他見到了許多著名的科學(xué)家,參加了各種學(xué)術(shù)交流活動,還學(xué)會了法語和意大利語。大大開闊了眼界,增長了見識。

1815年5月法拉第回到皇家研究所,并且在戴維指導(dǎo)下做獨立的研究工作并取得了幾項化學(xué)研究成果。1816年法拉第發(fā)表了第一篇科學(xué)論文。1820年他用取代反應(yīng)制得六氯乙烷和四氯乙烯。1821年任皇家學(xué)院實驗室總監(jiān)。1823年他發(fā)現(xiàn)了氯氣和其他氣體的液化方法。1824年1月他當(dāng)選為皇家學(xué)會會員。1825年2月接替戴維任皇家研究所實驗室主任。同年他發(fā)現(xiàn)了苯。

法拉第的成功與他的妻子是分不開的,正是由于他的妻子在他身后默默地付出,并給予支持,他才可以全心全意地投入到科學(xué)事業(yè)當(dāng)中,完成一項又一項偉大的發(fā)明。他的妻子名叫撒拉·伯納爾,是法拉第好友伯納爾的妹妹,法拉第是在教會中認(rèn)識她的。1819年,法拉第每個星期日晚上都會去伯納爾家中吃飯,跟伯納爾討論科學(xué)或一同唱歌,并且準(zhǔn)時十點離開。大家都以為法拉第一定是回實驗室繼續(xù)研究,豈知他是在路上散步許久,才能冷卻他對撒拉的愛慕。

有一次法拉第在讀書會中朗誦一首愛情詩,伯納爾認(rèn)為他一定有原因,回家后將法拉第的詩給妹妹撒拉看。后來撒拉問法拉第關(guān)于詩的內(nèi)容,法拉第交出詩后立刻從撒拉身邊逃離。法拉第自責(zé)但又無法克制對撒拉的思念。

撒拉知道法拉第這個人不愛錢又不在乎名利,從事研究就一定全心投入,并且當(dāng)時是知名的皇家學(xué)院教授,他的配偶注定會是一輩子孤單與寂寞。

但智慧的撒拉決定與法拉第在一起時,也同時決定要作法拉第研究成果的分享者,她常常鼓勵法拉第分享自己的快樂與憂愁,因為撒拉深知“成功的婚姻是一輩子的戀愛,而成功的戀愛是兩個人知道怎樣談戀愛。”

法拉第后來在日記中說道:“在我的一生中,對我的喜悅與心理健康,最有幫助的就是婚姻。”當(dāng)法拉第發(fā)現(xiàn)馬達(dá)原理的那一刻,撒拉也是法拉第第一個想要共同分享這份喜悅的人。法拉第并沒有因為戀愛放棄他的讀書、研究與朋友,他的生活還是一樣很忙碌,在皇家學(xué)院做實驗、替窮人朋友上化學(xué)課、參加讀書會、文藝俱樂部、騎腳踏車、爬山、教妹妹寫字、合唱團(tuán)練習(xí)等,然而撒拉的態(tài)度也相當(dāng)成熟,她認(rèn)為成熟的愛情并不一定要成日黏在一起,而需要彼此信任與體諒。

1821年6月12日,法拉第與撒拉結(jié)為夫婦。但當(dāng)時法拉第正忙著電學(xué)的實驗,無法抽出時間和撒拉一同度蜜月,撒拉面對法拉第的自責(zé),面帶微笑與體諒,告訴法拉第手邊的工作告一段落再去也可以。

1821年法拉第完成了第一項重大的電發(fā)明。雖然在這兩年之前,奧斯特已發(fā)現(xiàn)如果電路中有電流通過,它附近的普通羅盤的磁針就會發(fā)生偏移。但是法拉第并沒有因此停止研究,反而從中得到啟發(fā),認(rèn)為假如磁鐵固定,線圈就可能會運動。根據(jù)這種設(shè)想,他成功地發(fā)明了一種簡單的裝置。在裝置內(nèi),只要有電流通過線路,線路就會繞著一塊磁鐵不停地轉(zhuǎn)動。事實上法拉第發(fā)明的是第一臺電動機(jī),是第一臺通過電流使物體運動的裝置。雖然裝置簡陋,但它卻是今天世界上使用的所有電動機(jī)的祖先。

法拉第完成電磁轉(zhuǎn)動的實驗,而且寫好研究論文,他才和妻子去海邊度蜜月。撒拉不懂電磁學(xué),當(dāng)有人質(zhì)疑撒拉不懂科學(xué)如何跟科學(xué)家丈夫相處時,撒拉很堅定地回答:“科學(xué)已經(jīng)深深地吸引他到了剝奪睡眠的地步,我非常滿足于成為他內(nèi)心安歇的枕頭。”

法拉第將電磁轉(zhuǎn)動的研究投稿至科學(xué)季刊,毀譽參半,有人譏諷他抄襲、只是好運,有人開始重復(fù)他的實驗,驚奇這研究的成果,法拉第面對外來的言語攻擊、恩師戴維的冷漠、名教授歐勒斯頓不肯為自己澄清這樣世態(tài)炎涼的情景,這使法拉第一生中,唯一一次產(chǎn)生放棄科學(xué)的想法。但是撒拉成為法拉第忠實的仰慕者,她是法拉第實驗過程的見證者,她鼓勵法拉第不必因為別人的因素而放棄。

在一天夜里,法拉第非常難過地說道:“親愛的撒拉,我真是狼狽到極點。”撒拉堅定地回答:“我寧愿你像一個孩子,因單純而受到傷害,也不要像一個小人,因受到傷害而處處對人設(shè)防。”法拉第驚訝妻子如此堅強,也因為妻子的鼓勵而堅持下去。兩個月后,當(dāng)法拉第發(fā)表他著名的通電導(dǎo)線在地球磁場影響下的轉(zhuǎn)動實驗時,在會場里給他最大掌聲的就是歐勒斯頓教授。所以,只要堅持下去就會有成果,當(dāng)獲得肯定的時候,誰還會在乎謠言呢?

撒拉不僅是一位出色的妻子,她也是一位出色的廚師,兩人結(jié)婚數(shù)十年,除了學(xué)術(shù)會議的餐會以外,他們幾乎不在外面吃飯,撒拉會自己制作姜酒、葡萄酒、果醬、點心,法拉第的學(xué)生和朋友常在他們家吃飯。法拉第的健康是撒拉非常重視的,因此他結(jié)婚后的生活作息變得很規(guī)律,不再像從前為了研究、實驗午餐都吃不上。

這是個美好的婚姻,雖然在往后的46年中,兩人一起經(jīng)歷貧窮、不孕、失憶癥的危機(jī),但這一切卻使得兩個人的愛情,維系更深。在法拉第年老最后的一場演講中,法拉第最感謝的是他的妻子:“她,是我一生第一個愛,也是最后的愛。她讓我年輕時最燦爛的夢想得以實現(xiàn);她讓我年老時仍得安慰。每一天的相處,都是淡淡的喜悅;每一個時刻,她仍是我的顧念。有她,我的一生沒有遺憾。我唯一的掛念是,當(dāng)我離開之后,一生相顧、親愛的同伴,如何能忍受折翼之痛,我只能用一顆單純的信心,向那位永生的神呼吁:‘我沒有留下什么給她,但我不害怕,我知道,你一定會照顧她,你一定會照顧她。’”

法拉第在妻子的幫助下,完成了各種實驗,并且將之前遺留的問題都一一解決了。為了證實用各種不同辦法產(chǎn)生的電在本質(zhì)上都是一樣的,法拉第仔細(xì)研究了電解液中的化學(xué)現(xiàn)象,1834年總結(jié)出法拉第電解定律:電解釋放出來的物質(zhì)總量和通過的電流總量成正比,和那種物質(zhì)的化學(xué)量成正比。這條定律成為聯(lián)系物理學(xué)和化學(xué)的橋梁,也是通向發(fā)現(xiàn)電子道路的橋梁。

法拉第作為一名天才的電學(xué)大師,在電磁學(xué)的新領(lǐng)域中樹立起了前進(jìn)的路標(biāo)。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(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1838年,他提出了電力線的新概念來解釋電、磁現(xiàn)象,這是物理學(xué)理論上的一次重大突破。1843年,法拉第用有名的“冰桶實驗”,證明了電荷守恒定律。

法拉第在電磁學(xué)的新領(lǐng)域中耕耘播種。他為了探究電磁和光的關(guān)系,在光學(xué)玻璃方面費盡了心血。1845年,也是在經(jīng)歷了無數(shù)次失敗之后,他終于發(fā)現(xiàn)了“磁光效應(yīng)”。他用實驗證實了光和磁的相互作用,為電、磁和光的統(tǒng)一理論奠定了基礎(chǔ)。

由于在當(dāng)時,科學(xué)家大多數(shù)都是自負(fù)盈虧,大部分實驗與科學(xué)研究都是靠自己的資產(chǎn)來完成,這讓大部分科學(xué)家都感到力不從心。1835年,政府也感到科學(xué)家的待遇太低,英國內(nèi)閣首相羅伯特·皮爾爵士建議設(shè)立一種年金,獎給在科學(xué)或者文學(xué)上有貢獻(xiàn)的人,而在這以前,年金只有政治家、軍事將領(lǐng)才有資格得到。新設(shè)的年金中,有一項就準(zhǔn)備授予法拉第。皮爾首相很賞識法拉第的卓越成就,他曾對人說:“我相信,在活著的學(xué)者當(dāng)中,沒有一位比法拉第先生更有資格得到政府的關(guān)照。”

法拉第知道這個消息以后,馬上給首相寫了封信,表示自己可以自食其力,堅決拒絕這份年金。這封信在寄出以前被朋友們制止了,都覺得這樣做有些失禮,而且他的生活境況確實很窘迫。他們勸法拉第改變主意,但是法拉第執(zhí)意不肯。在事情最后決定以前,由于保守黨內(nèi)閣倒臺,皮爾首相離職,由另一位名叫梅爾本的勛爵繼任首相。

一天,新首相親臨皇家學(xué)院視察,邀請法拉第在辦公室面談。在大家的勸說下,法拉第應(yīng)約前去。這位勛爵是自由黨人,大約對法拉第并不了解,而且官做大了,說話也毫無顧忌,言談中流露出對科學(xué)技術(shù)人員的輕視。他認(rèn)為年金對文臣武將來說是受之無愧的,對科學(xué)家或者作家來說,那就算是一種恩惠了。

法拉第聽到這話后,他感到了一種對科學(xué)的侮辱。他原本就不愿意來,礙于情面才前來赴約,結(jié)果卻是被羞辱。他立刻結(jié)束談話,告別回家,弄得這位勛爵大人一時摸不著頭腦。

當(dāng)天晚上,梅爾本勛爵收到法拉第一張便條,措詞簡短而堅決,大意是“既然這樣,那我也恕難接受恩惠”。勛爵讀完便條,才知道他觸怒了法拉第。他起初還覺得好笑,等事情傳開以后,才感到問題嚴(yán)重。

這時,一位同雙方相識的貴夫人,看到首相大人下不了臺,于是出面調(diào)解。她給法拉第做了幾次工作,婉言勸他收下年金,但是法拉第態(tài)度堅決,執(zhí)意不收。調(diào)解人費盡口舌也無濟(jì)于事,最后只好問法拉第,究竟要梅爾本勛爵怎樣做,才能使他滿意。法拉第回答說:“除非他向我書面道歉。不過,這一點我既沒有權(quán)利也沒有理由要求他做到。”

第二天,首相親筆寫的道歉信,居然送來了。信的措詞坦率而客氣,這場“年金事件”才算圓滿解決。圣誕節(jié)前夕,政府宣布授予法拉第一項特別年金,每年300鎊,以表彰他對英國科學(xué)事業(yè)的特殊貢獻(xiàn)。

這一年的圣誕節(jié)充滿著狂歡的氣息。倫敦的大街小巷,火樹銀花不夜天。圣誕節(jié)過后不久,一家時報登出法拉第的相片,標(biāo)題用的是醒目的黑體字:名師高徒,后來居上——邁克爾·法拉第教授即將被授予爵士稱號。文章還對“未來的貴族法拉第爵士”作了一番繪聲繪色的描寫,說他喜歡喝香檳,愛唱鄉(xiāng)村俚曲,繪畫天才超過他的物理才能云云。

法拉第看到報紙,只一笑了之。朋友們卻坐不住了,有的跑來打聽消息是否屬實,還有的捧著香檳前來祝賀。法拉第仍然報以淡淡一笑。“沒有的事!”他說,“再說,我干嘛要當(dāng)爵士呢?”

傳聞很快得到證實。從內(nèi)閣傳出消息,皇室的確考慮要封法拉第為爵士。按照英國皇室的傳統(tǒng),授予杰出人物以貴族稱號,遠(yuǎn)自牛頓,近至戴維都曾獲此榮耀。憑法拉第的貢獻(xiàn)和聲望,他是當(dāng)之無愧的。但是當(dāng)內(nèi)閣幾次派人來說明此意時,法拉第都謝絕了。他答復(fù)說:“我以生為平民為榮,并不想變成貴族。”法拉第拒絕了貴族稱號,他永遠(yuǎn)是一個來自人民又造福人民的平民科學(xué)家。

在他生涯的晚年,他提出電磁力不僅存在于導(dǎo)體中,更延伸入導(dǎo)體附近的空間里。這個想法被其他的科學(xué)家所排斥,法拉第也終究沒有活著看到這個想法被世人所接受。法拉第也提出電磁線的概念:這些流線由帶電體或者是磁鐵的其中一極中放射出,射向另一電性的帶電體或是磁性異極的物體。這個概念幫助世人能夠?qū)⒊橄蟮碾姶艌鼍呦蠡瑢﹄娏C(jī)械裝置在19世紀(jì)的發(fā)展有重大的影響。而這些裝置在之后的19世紀(jì)中主宰了整個工程與工業(yè)界。

1845年他發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象并被他命名為抗磁性,這種抗磁性流傳至今并被稱為法拉第效應(yīng):一個線性極化的光線在經(jīng)過一物體介質(zhì)時,外加一磁場并與光線的前進(jìn)方向?qū)R,則此磁場將使光線在空間中劃出的平面轉(zhuǎn)向。他在筆記本中寫下:“我終于在‘闡釋一條磁力曲線’或者說‘力線’及‘磁化光線’中取得成功。”

法拉第的一生是偉大的,但他本人又是平凡的,他非常熱愛科學(xué)普及工作,在他擔(dān)任皇家研究所實驗室主任后不久,即發(fā)起舉行星期五晚間討論會和圣誕節(jié)少年科學(xué)講座。他在100多次星期五晚間討論會上作過講演,在圣誕節(jié)少年科學(xué)講座上講演達(dá)19年之久。他的科普講座深入淺出,并配以豐富的演示實驗,深受歡迎。

法拉第還熱心公眾事業(yè),長期為英國許多公司機(jī)構(gòu)服務(wù)。他為人質(zhì)樸、不善交際、不圖名利、喜歡幫助親友。為了專心從事科學(xué)研究,他放棄了一切有豐厚報酬的商業(yè)性工作。他在1857年謝絕了皇家學(xué)會擬選他為會長的提名,他甘愿以平民的身份實現(xiàn)獻(xiàn)身科學(xué)的諾言,終身在皇家學(xué)院實驗室工作一輩子,當(dāng)一個平凡的邁克爾·法拉第。

1867年8月25日,平民邁克爾·法拉第在書房安詳?shù)仉x開了人世。一代科學(xué)巨星,在譜寫完他不平凡的人生、給人類留下無價的寶藏以后與世長辭。

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