法拉第

第一節 新思想澤被後世

　　一旦科學插上幻想的翅膀，在你的頭腦中翱翔，它就一定能夠贏得勝利。——法拉第

　　中國有句俗語：曲高和寡。世界上許多偉大的科學預言，在出現的最開始都被人當做奇談怪論，很少有人接受。

　　法拉第的新思想，由於缺乏嚴密的論證，起初也引起許多研究者的懷疑。但是有兩位年輕有為的英國物理學家，為法拉第的新穎觀點所吸引。

　　這兩位科學家一個是格拉斯哥的威廉·湯姆生，即後來著名的開爾文勳爵，另一個是劍橋大學的麥克斯韋。

　　湯姆生是一個神童，20歲大學畢業，首先選擇了電磁學當做進軍的目標，雖說熱力學也在他的視野範圍之內，然而自從法拉第在1831年發現電磁感應以後，湯姆生受到強烈的吸引。

　　湯姆生十分羨慕法拉第的成就，尤其是對法拉第關於電力線和磁力線的思想很感興趣。湯姆生掌握了數學工具之後，更覺得電磁學是個大有可為的領域，躍躍欲試。

　　1845年初夏，湯姆生從法國回到劍橋大學，參加了英國科學協會的會議，出席這次會議的都是著名學者，包括法拉第、焦耳這樣一些世界第一流的大科學家。

　　會上，湯姆生正好和法拉第坐在一起，並進行了交談。當時，法拉第從皮包裏取出自己寫的一本電學專著《電學實驗研究》遞給湯姆生，建議他抽空一讀。

　　湯姆生當時很想提出來同法拉第合作，他猶豫了一下，沒說出自己的想法。

　　法拉第那時已54歲，久病初愈，剛恢複研究工作。他雖然賞識湯姆生的才能，但也沒有想到這個21歲的後生是最理想的助手。所以，盡管他們探索的目標是共同的，特別是湯姆生又精通數學，卻失之交臂，沒有能夠攜起手來，想來是十分遺憾的。

　　以後，湯姆生有好幾次想把自己對電磁的研究總結成理論性的東西，但都沒有成功。1846年11月，他擔任教授職務後還悉心研究電學，並很有進展，還用數學方法對電磁力的性質做了有益的探討。

　　湯姆生還試圖用數學公式把電力和磁力統一起來，這的確是一個天才的設想。實際上，他已經走到了電磁理論的邊緣，隻要再向前邁一步，就能夠發現真理。

　　可惜的是，湯姆生後來沒有把這個研究進行到底，因而建立電磁理論的桂冠，就隻好讓麥克斯韋來戴了。

　　麥克斯韋出生於1831年11月13日。1854年，23歲的麥克斯韋大學畢業，留在母校劍橋大學任教。

　　不久，麥克斯韋讀到了法拉第的《電學實驗研究》，馬上被書中的新穎的實驗和見解吸引住了。

　　當時，學術界對法拉第的學說看法不一致，有不少非議。主要原因是“超距作用”的傳統觀念影響還很深，牛頓力學的大廈動搖了，但是並沒有倒塌。

　　同時，也因為法拉第的學說在理論上還不夠嚴謹。

　　作為實驗大師，法拉第是舉世無雙的，但是由於沒有受過正規的高等教育，唯獨數學功夫不夠。

　　法拉第的創見都是用直觀的形式表達的，一般的理論物理學家都不承認法拉第的學說，認為它不過是一些實驗記錄。

　　然而麥克斯韋受到湯姆生的影響，相信法拉第學說中包含著真理。他在認真研究了法拉第的著作以後，領悟出力線思想的寶貴價值，也看到了法拉第定性表達的弱點。

　　這個初出茅廬的青年科學家決心用數學來彌補這一點。

　　一年之後，24歲的麥克斯韋發表了《論法拉第的力線》，這是第一篇關於電磁學的論文。

　　這位後起之秀接過了偉大先驅者法拉第手中的火炬，開始向電磁領域的製高點挺進。

　　且說那天法拉第正在歎息不已時，突然，放在桌上新到專業期刊上一篇醒目的標題跳入了他的眼簾：《論法拉第的力線》。

　　法拉第一陣激動，他如饑似渴地將論文讀了一遍，真是一篇好文章啊！

　　在論文中，麥克斯韋通過數學方法，把電流周圍存在力線這一現象，概括成一個高等數學裏的矢量偏微分方程。

　　法拉第想自己從小失學，最缺的就是數學，現在突然降下了這麽一位理解自己思想，又長於數學的幫手，真是高興得樂不可支。

　　“哈哈，我的理論後繼有人了！”法拉第感到無比的欣慰。

　　幾年後，也就是1860年夏，麥克斯韋因故來到倫敦皇家學院任教，時年28歲。這次工作的變動，是他一生事業的轉折點。

　　麥克斯韋對法拉第仰望已久，早在劍橋教書的四年時間裏，他就一直想用數學公式表達法拉第的學說，他經常給法拉第寫信，探索電磁的奧秘。

　　麥克斯韋到達倫敦後去拜訪了法拉第，這是一次難忘的會晤，法拉第已年近七旬，兩鬢斑白。他和麥克斯韋一見如故，親切地交談起來。

　　當麥克斯韋征求他對論文的看法時，法拉第高興地說：“當我知道你用數學來構造這一主題，起初我幾乎嚇壞了，我驚訝地看到，你處理得如此之好啊！”

　　法拉第還說：“我不認為自己的學說一定是真理，但是隻有你才是真正理解它的人。”

　　“先生能給我指出論文的缺點嗎？”麥克斯韋靦腆地說。

　　“但是，你不應該停留在用數學來解釋我的觀點，”這位大師沉思道，“你應該更深層地把它突破！”

　　法拉第的話猶如一盞明燈，照亮了青年物理學家麥克斯韋前進的道路，他立即用最大的熱情投入新的戰鬥。

　　1862年，麥克斯韋在英國《哲學雜誌》4卷23期上，發表了第二篇電磁學論文《論物理學的力線》。

　　這是一篇劃時代的論文，它同1855年的《論法拉第的力線》相比，有了質的飛躍。

　　論文不再是法拉第觀點的單純的數學解釋，而是對法拉第的觀點作了重大的引申和發展。其中具有決定意義的一步，是引進了“位移電流”的概念。

　　麥克斯韋分析了法拉第對電介質的研究以後，確認在電場變化著的電介質中，電流也存在，他把這稱為“位移電流”。

　　另外，麥克斯韋還計算出這種電流的速度正好等於光速，這一驚人的“巧合”中，包含著神奇而偉大的內在聯係。

　　從理論上引出位移電流的概念，的確是電磁學上繼法拉第電磁感應以後的一項重大突破。

　　根據這一科學假設，麥克斯韋推導出兩個高度抽象的偏微分方程式，這即是著名的麥克斯韋方程式。

　　根據這組方程所揭示的規律，不但變化著的磁場產生電場，而且變化著的電場也產生磁場。凡是有磁場變化的地方，它的周圍不管是導體或者電介質，都有感應電場存在。

　　經過麥克斯韋創造性的總結，電磁現象的規律，終於被他用不可動搖的數學形式揭示出來。

　　直到此時，電磁學才開始成為一種科學理論。而法拉第，則是這座理論大廈的奠基人。

　　1865年，麥克斯韋發表了第三篇電磁學論文《電磁場動力學》。在這篇論文中，麥克斯韋方程的形式更加完善，他並且由此推導出電場和磁場的波動方程。

　　根據計算，這個“波”的傳播速度，恰好等於光速！直到此時，電磁波的存在是確定無疑了！

　　麥克斯韋因此大膽斷定，光也是一種電磁波。法拉第當年關於光的電磁理論的猜想，就這樣由麥克斯韋變成了科學的理論。

　　曆史記下了這個輝煌，23年以後，德國青年物理學家赫茲用實驗發現了電磁波，證明了麥克斯韋的理論。

　　法拉第當年的偉大預言，經過幾代人的接力，終於變成現實。令人遺憾的是，法拉第沒有親眼看到電磁理論的勝利，麥克斯韋也沒有看到這一天。

　　法拉第經過畢生的辛勤努力，終於為人類開發了一個全新的知識領域。其一生總結性的著作是《電學實驗研究》。

　　有趣的是，在法拉第的這部巨著中，幾乎沒有一條數學公式。金無足赤，人無完人，無論是政治偉人或科學巨匠，都不可能是十全十美的。

　　法拉第的不足之處是其數學知識貧乏，這一缺憾後來由其學生麥克斯韋彌補了。也許是緣分，麥克斯韋和法拉第相逢，最終完成了電磁理論大業。而湯姆生與法拉第卻失之交臂。