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第5章 发明电磁感应的法拉第

1791年9月22日,迈克尔·法拉第出生在萨里郡纽因顿的一个贫苦的铁匠家庭里。他的父亲是个铁匠,体弱多病,收入微薄,仅能勉强维持温饱。但是父亲非常注意对孩子们的教育,要求他们勤劳朴实,不要贪图金钱地位,要做一个正直的人。这对法拉第的思想和性格产生了很大的影响。

由于贫困,法拉第家里无法供他上学,因而法拉第幼年时并没有受过正规教育,只读了两年小学。1803年,为生计所迫,他上街头当了报童。第二年又到一个书商兼订书匠的家里当学徒。订书店里书籍堆积如山,法拉第带着强烈的求知欲望,如饥似渴地阅读各类书籍,汲取了许多自然科学方面的知识,尤其是《大英百科全书》中关于电学的文章,强烈地吸引着他。他努力地将书本知识付诸于实践当中,利用废旧物品制作静电起电机,进行简单的化学和物理实验。他还与青年朋友们建立了一个学习小组,常常在一起讨论问题,交换思想。在法拉第一生的科学活动中贯彻始终的一条原则就是,重视实践尤其是科学实验的特点。

法拉第不放过任何一个学习的机会,在哥哥的资助下,他有幸参加了学者塔特姆领导的青年科学组织——伦敦城哲学会。通过一些活动,他初步掌握了物理、化学、天文、地质、气象等方面的基础知识,为以后的研究工作打下了良好基础。法拉第的好学精神感动了一位书店的老主顾,在他的帮助下,法拉第有幸聆听了著名化学家戴维的演讲。他把演讲内容全部记录下来并整理清楚,回去和朋友们认真讨论研究。他还把整理好的演讲记录送给戴维,并且附信,表明自己愿意献身科学事业。结果他如愿以偿,在22岁时做了戴维的实验助手。从此,法拉第开始了他的科学生涯。戴维虽然在科学上有许多了不起的贡献,但他说,我对科学最大的贡献是发现了法拉第。

法拉第勤奋好学,工作努力,很受戴维器重。1813年10月,他随戴维到欧洲大陆国家考察,他的公开身份是仆人,但他并不计较地位,也毫不自卑,而把这次考察当作学习的好机会。他见到了许多著名的科学家,参加了各种学术交流活动,还学会了法语和意大利语。大大开阔了眼界,增长了见识。

1815年5月法拉第回到皇家研究所,并且在戴维指导下做独立的研究工作并取得了几项化学研究成果。1816年法拉第发表了第一篇科学论文。1820年他用取代反应制得六氯乙烷和四氯乙烯。1821年任皇家学院实验室总监。1823年他发现了氯气和其他气体的液化方法。1824年1月他当选为皇家学会会员。1825年2月接替戴维任皇家研究所实验室主任。同年他发现了苯。

法拉第的成功与他的妻子是分不开的,正是由于他的妻子在他身后默默地付出,并给予支持,他才可以全心全意地投入到科学事业当中,完成一项又一项伟大的发明。他的妻子名叫撒拉·伯纳尔,是法拉第好友伯纳尔的妹妹,法拉第是在教会中认识她的。1819年,法拉第每个星期日晚上都会去伯纳尔家中吃饭,跟伯纳尔讨论科学或一同唱歌,并且准时十点离开。大家都以为法拉第一定是回实验室继续研究,岂知他是在路上散步许久,才能冷却他对撒拉的爱慕。

有一次法拉第在读书会中朗诵一首爱情诗,伯纳尔认为他一定有原因,回家后将法拉第的诗给妹妹撒拉看。后来撒拉问法拉第关于诗的内容,法拉第交出诗后立刻从撒拉身边逃离。法拉第自责但又无法克制对撒拉的思念。

撒拉知道法拉第这个人不爱钱又不在乎名利,从事研究就一定全心投入,并且当时是知名的皇家学院教授,他的配偶注定会是一辈子孤单与寂寞。

但智慧的撒拉决定与法拉第在一起时,也同时决定要作法拉第研究成果的分享者,她常常鼓励法拉第分享自己的快乐与忧愁,因为撒拉深知“成功的婚姻是一辈子的恋爱,而成功的恋爱是两个人知道怎样谈恋爱。”

法拉第后来在日记中说道:“在我的一生中,对我的喜悦与心理健康,最有帮助的就是婚姻。”当法拉第发现马达原理的那一刻,撒拉也是法拉第第一个想要共同分享这份喜悦的人。法拉第并没有因为恋爱放弃他的读书、研究与朋友,他的生活还是一样很忙碌,在皇家学院做实验、替穷人朋友上化学课、参加读书会、文艺俱乐部、骑脚踏车、爬山、教妹妹写字、合唱团练习等,然而撒拉的态度也相当成熟,她认为成熟的爱情并不一定要成日黏在一起,而需要彼此信任与体谅。

1821年6月12日,法拉第与撒拉结为夫妇。但当时法拉第正忙着电学的实验,无法抽出时间和撒拉一同度蜜月,撒拉面对法拉第的自责,面带微笑与体谅,告诉法拉第手边的工作告一段落再去也可以。

1821年法拉第完成了第一项重大的电发明。虽然在这两年之前,奥斯特已发现如果电路中有电流通过,它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。但是法拉第并没有因此停止研究,反而从中得到启发,认为假如磁铁固定,线圈就可能会运动。根据这种设想,他成功地发明了一种简单的装置。在装置内,只要有电流通过线路,线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机,是第一台通过电流使物体运动的装置。虽然装置简陋,但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。

法拉第完成电磁转动的实验,而且写好研究论文,他才和妻子去海边度蜜月。撒拉不懂电磁学,当有人质疑撒拉不懂科学如何跟科学家丈夫相处时,撒拉很坚定地回答:“科学已经深深地吸引他到了剥夺睡眠的地步,我非常满足于成为他内心安歇的枕头。”

法拉第将电磁转动的研究投稿至科学季刊,毁誉参半,有人讥讽他抄袭、只是好运,有人开始重复他的实验,惊奇这研究的成果,法拉第面对外来的言语攻击、恩师戴维的冷漠、名教授欧勒斯顿不肯为自己澄清这样世态炎凉的情景,这使法拉第一生中,唯一一次产生放弃科学的想法。但是撒拉成为法拉第忠实的仰慕者,她是法拉第实验过程的见证者,她鼓励法拉第不必因为别人的因素而放弃。

在一天夜里,法拉第非常难过地说道:“亲爱的撒拉,我真是狼狈到极点。”撒拉坚定地回答:“我宁愿你像一个孩子,因单纯而受到伤害,也不要像一个小人,因受到伤害而处处对人设防。”法拉第惊讶妻子如此坚强,也因为妻子的鼓励而坚持下去。两个月后,当法拉第发表他著名的通电导线在地球磁场影响下的转动实验时,在会场里给他最大掌声的就是欧勒斯顿教授。所以,只要坚持下去就会有成果,当获得肯定的时候,谁还会在乎谣言呢?

撒拉不仅是一位出色的妻子,她也是一位出色的厨师,两人结婚数十年,除了学术会议的餐会以外,他们几乎不在外面吃饭,撒拉会自己制作姜酒、葡萄酒、果酱、点心,法拉第的学生和朋友常在他们家吃饭。法拉第的健康是撒拉非常重视的,因此他结婚后的生活作息变得很规律,不再像从前为了研究、实验午餐都吃不上。

这是个美好的婚姻,虽然在往后的46年中,两人一起经历贫穷、不孕、失忆症的危机,但这一切却使得两个人的爱情,维系更深。在法拉第年老最后的一场演讲中,法拉第最感谢的是他的妻子:“她,是我一生第一个爱,也是最后的爱。她让我年轻时最灿烂的梦想得以实现;她让我年老时仍得安慰。每一天的相处,都是淡淡的喜悦;每一个时刻,她仍是我的顾念。有她,我的一生没有遗憾。我唯一的挂念是,当我离开之后,一生相顾、亲爱的同伴,如何能忍受折翼之痛,我只能用一颗单纯的信心,向那位永生的神呼吁:‘我没有留下什么给她,但我不害怕,我知道,你一定会照顾她,你一定会照顾她。’”

法拉第在妻子的帮助下,完成了各种实验,并且将之前遗留的问题都一一解决了。为了证实用各种不同办法产生的电在本质上都是一样的,法拉第仔细研究了电解液中的化学现象,1834年总结出法拉第电解定律:电解释放出来的物质总量和通过的电流总量成正比,和那种物质的化学量成正比。这条定律成为联系物理学和化学的桥梁,也是通向发现电子道路的桥梁。

法拉第作为一名天才的电学大师,在电磁学的新领域中树立起了前进的路标。1837年他引入了电场和磁场的概念,指出电和磁的周围都有场的存在,这打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。1838年,他提出了电力线的新概念来解释电、磁现象,这是物理学理论上的一次重大突破。1843年,法拉第用有名的“冰桶实验”,证明了电荷守恒定律。

法拉第在电磁学的新领域中耕耘播种。他为了探究电磁和光的关系,在光学玻璃方面费尽了心血。1845年,也是在经历了无数次失败之后,他终于发现了“磁光效应”。他用实验证实了光和磁的相互作用,为电、磁和光的统一理论奠定了基础。

由于在当时,科学家大多数都是自负盈亏,大部分实验与科学研究都是靠自己的资产来完成,这让大部分科学家都感到力不从心。1835年,政府也感到科学家的待遇太低,英国内阁首相罗伯特·皮尔爵士建议设立一种年金,奖给在科学或者文学上有贡献的人,而在这以前,年金只有政治家、军事将领才有资格得到。新设的年金中,有一项就准备授予法拉第。皮尔首相很赏识法拉第的卓越成就,他曾对人说:“我相信,在活着的学者当中,没有一位比法拉第先生更有资格得到政府的关照。”

法拉第知道这个消息以后,马上给首相写了封信,表示自己可以自食其力,坚决拒绝这份年金。这封信在寄出以前被朋友们制止了,都觉得这样做有些失礼,而且他的生活境况确实很窘迫。他们劝法拉第改变主意,但是法拉第执意不肯。在事情最后决定以前,由于保守党内阁倒台,皮尔首相离职,由另一位名叫梅尔本的勋爵继任首相。

一天,新首相亲临皇家学院视察,邀请法拉第在办公室面谈。在大家的劝说下,法拉第应约前去。这位勋爵是自由党人,大约对法拉第并不了解,而且官做大了,说话也毫无顾忌,言谈中流露出对科学技术人员的轻视。他认为年金对文臣武将来说是受之无愧的,对科学家或者作家来说,那就算是一种恩惠了。

法拉第听到这话后,他感到了一种对科学的侮辱。他原本就不愿意来,碍于情面才前来赴约,结果却是被羞辱。他立刻结束谈话,告别回家,弄得这位勋爵大人一时摸不着头脑。

当天晚上,梅尔本勋爵收到法拉第一张便条,措词简短而坚决,大意是“既然这样,那我也恕难接受恩惠”。勋爵读完便条,才知道他触怒了法拉第。他起初还觉得好笑,等事情传开以后,才感到问题严重。

这时,一位同双方相识的贵夫人,看到首相大人下不了台,于是出面调解。她给法拉第做了几次工作,婉言劝他收下年金,但是法拉第态度坚决,执意不收。调解人费尽口舌也无济于事,最后只好问法拉第,究竟要梅尔本勋爵怎样做,才能使他满意。法拉第回答说:“除非他向我书面道歉。不过,这一点我既没有权利也没有理由要求他做到。”

第二天,首相亲笔写的道歉信,居然送来了。信的措词坦率而客气,这场“年金事件”才算圆满解决。圣诞节前夕,政府宣布授予法拉第一项特别年金,每年300镑,以表彰他对英国科学事业的特殊贡献。

这一年的圣诞节充满着狂欢的气息。伦敦的大街小巷,火树银花不夜天。圣诞节过后不久,一家时报登出法拉第的相片,标题用的是醒目的黑体字:名师高徒,后来居上——迈克尔·法拉第教授即将被授予爵士称号。文章还对“未来的贵族法拉第爵士”作了一番绘声绘色的描写,说他喜欢喝香槟,爱唱乡村俚曲,绘画天才超过他的物理才能云云。

法拉第看到报纸,只一笑了之。朋友们却坐不住了,有的跑来打听消息是否属实,还有的捧着香槟前来祝贺。法拉第仍然报以淡淡一笑。“没有的事!”他说,“再说,我干嘛要当爵士呢?”

传闻很快得到证实。从内阁传出消息,皇室的确考虑要封法拉第为爵士。按照英国皇室的传统,授予杰出人物以贵族称号,远自牛顿,近至戴维都曾获此荣耀。凭法拉第的贡献和声望,他是当之无愧的。但是当内阁几次派人来说明此意时,法拉第都谢绝了。他答复说:“我以生为平民为荣,并不想变成贵族。”法拉第拒绝了贵族称号,他永远是一个来自人民又造福人民的平民科学家。

在他生涯的晚年,他提出电磁力不仅存在于导体中,更延伸入导体附近的空间里。这个想法被其他的科学家所排斥,法拉第也终究没有活着看到这个想法被世人所接受。法拉第也提出电磁线的概念:这些流线由带电体或者是磁铁的其中一极中放射出,射向另一电性的带电体或是磁性异极的物体。这个概念帮助世人能够将抽象的电磁场具象化,对电力机械装置在19世纪的发展有重大的影响。而这些装置在之后的19世纪中主宰了整个工程与工业界。

1845年他发现了一种现象并被他命名为抗磁性,这种抗磁性流传至今并被称为法拉第效应:一个线性极化的光线在经过一物体介质时,外加一磁场并与光线的前进方向对齐,则此磁场将使光线在空间中划出的平面转向。他在笔记本中写下:“我终于在‘阐释一条磁力曲线’或者说‘力线’及‘磁化光线’中取得成功。”

法拉第的一生是伟大的,但他本人又是平凡的,他非常热爱科学普及工作,在他担任皇家研究所实验室主任后不久,即发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在100多次星期五晚间讨论会上作过讲演,在圣诞节少年科学讲座上讲演达19年之久。他的科普讲座深入浅出,并配以丰富的演示实验,深受欢迎。

法拉第还热心公众事业,长期为英国许多公司机构服务。他为人质朴、不善交际、不图名利、喜欢帮助亲友。为了专心从事科学研究,他放弃了一切有丰厚报酬的商业性工作。他在1857年谢绝了皇家学会拟选他为会长的提名,他甘愿以平民的身份实现献身科学的诺言,终身在皇家学院实验室工作一辈子,当一个平凡的迈克尔·法拉第。

1867年8月25日,平民迈克尔·法拉第在书房安详地离开了人世。一代科学巨星,在谱写完他不平凡的人生、给人类留下无价的宝藏以后与世长辞。

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