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糜克定与朋友们一道讨论科学人生

 
 
 

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糜克定: 退休物理教师,原江苏省电教研究会理事、中国物理学会会员、连云港市电化教育馆馆长,曾编导、监制《中学教师语言修养与训练》等52小时电视教材在中国教育电视台卫星播出。撰稿与编导10小时的电视教材《小学数学新课导入》选为联合国儿童基金会远程教育项目教材。退休后,又有编制《小学科学助教助学》、《体育与健康》、《伟大祖国》等近260G的结构性网络资源及网络“超媒体”教材等成果。 自办公益网站:《糜克定》的科学园》 http://mkd.lyge.cn/

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只上过两年学的电磁学巨匠法拉第  

2009-02-22 10:52:53|  分类: 原创 |  标签: |举报 |字号 订阅

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只上过两年学的电磁学巨匠法拉第

法拉第在科学界的崛起,算得上是科学史上的一个奇迹。

迈克尔·法拉第(Michael Faraday,1791-1867) 1791年9月22日生于英国萨里郡纽因顿的一个铁匠家庭。他的父亲是一名铁匠,终年操劳不息,靠着替附近的农民打造农具和马蹄铁等,勉强维持一家人的生活。法拉第从小爱看父亲挥舞大锤,一下一下锻打烧红的铁块。铁块变冷变硬后,父亲把它重新放在炉火里烧红。经过千锤百炼,铁坯终于按照人的意志变成了各种工具。父亲曾经自豪地对法拉第说:“在铁匠面前永远没有顽铁。”多少年来,父亲的话一直激励着他不向任何困难低头。

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迈克尔·法拉第(Michael Faraday,1791-1867)

五岁时,法拉第跟随父母来到伦敦,不久进入一所普通的小学读书。由于家庭经济情况不但没有改善,反而越来越糟,十二岁时,法拉第不得不停止学业,法拉第从小只读过几本启蒙读物,一生所受到的正规教育不过才两年。少年的法拉第为了生计,不得不浪迹伦敦,什么样的粗活重活都干过,包括打铁,当马夫,送报,烤面包等等。那时,他自己最大愿望不过是当一个出色的手艺工人而已,可是当时万业萧条,靠手艺吃饭都成梦想。13岁那一年,法拉第的最后一份工作总算是固定下来了,在他当报童的时候,书报商列波看他聪明勤快,把他招进印刷厂 ,在装订车间当一名学徒。法拉第真是旷世奇才,那个印刷厂印刷的多是科技图书,装订车间里的书堆积如山,他在装订书籍的间隙闲极无聊,干脆读一些装订的书页为乐,开始他有许多字都不认识,但后来居然对其中有关电和磁的知识大感兴趣。法拉第挤出一切休息时间如饥如渴地阅读各种书籍,读后还临摹插图,工工整整地作读书笔记。 《大英百科全书》中关于电学的文章,使他对自然科学发生了强烈的兴趣。他利用废旧物品制作静电起电机,进行了简单的化学和物理学实验,仔细观察和分析实验结果,把自己的阁楼变成了小实验室,这就是法拉第科学研究生涯的开始。

    法拉第还利用业余时间去听科学演讲。有一次,书报商列波的一位老主顾对法拉第的好学精神很赞赏,赠给他皇家研究院的入场券,使他有机会听到著名化学家戴维的演讲。他把戴维讲的全部记录下来,回去再进一步学习研究。法拉第在这家印刷厂呆了八年,他废寝忘食、如饥似渴地学习。他后来回忆这段生活时说:“我就是在工作之余,从这些书里开始找到我的哲学。这些书中有两种对我特别有帮助,一是《大英百科全书》,我从它第一次得到电的概念;另一是马塞夫人的《化学对话》,它给了我这门课的科学基础。”

有一次下班后,法拉第兴致勃勃地对工友大讲自己对电磁学的理解,没想到,工友们个个都听得昏昏欲睡,唯独他意兴盎然。最后,一位老工人劝他道:"你和我们这些粗人说这些,我们怎么能听懂的呢?你应该去找那些吃白面包的人呀。"

  那些吃白面包的人指的是上层人士,自己怎样才能见到他们呢?再三思量之下,法拉第决定把自己的一些见解写信寄给当时皇家学会会员戴维先生。戴维乃是英国当时首屈一指的大化学家,28岁那年便自创电化学一门学科,还发现了钾(K)、钠(Na)、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)、硼(B)、硅(Si)八种元素。在英法两国交战打得天昏地暗的时候,拿破仑还是力排众议,授予他皇家勋章。法拉第敬仰戴维已久,有机会,既使旷工也要跑去听他演讲。

    法拉第本来对回信没抱多大希望,谁知不久竟然收到了戴维的亲笔信。原来戴维看到法拉第的信后,对法拉第的见解颇感兴趣,觉得他很有灵性,看来是一位可造之才,但戴维与法拉第见面之后却不免微微皱眉头,来者衣衫不整,粗手粗脚,全无想象中儒雅的绅士风范。戴维稍加询问,便知法拉第没有受过什么正规教育,业余自学的东西倒是不少,但大都杂而不全,不成章法,尤其数学知识几乎是零。但戴维非常同情这好学的青年,不忍伤他一片热忱求学之心,又见他反应灵敏,手脚麻利,便让他做自己的助手。

    1813年秋,戴维与一位富有的青年寡妇结婚,决定去欧洲作蜜月旅行。管家和仆人深知这位寡妇娇生惯养,使气任性,不愿跟去,因而遭到解雇。  这样,法拉第便一身集助手、管家、仆人三种职务,陪戴维去旅行。他白天为主人干活,晚上主人休息之后,他读书做实验。这次旅行,他见到了很多著名科学家,参加了各种学术交流活动,学会了法语和意大利语,大大开阔了眼界。正如法拉第的一位好友所说:“他(法拉第)上的大学是在欧洲,他的老师就是他的主人,以及慕戴维之名而来的那些科学界名流。”

   1815年4月,法拉第回国后,立即全力以赴地进行科学研究。他大胆地进行各种试验,有时甚至要冒生命的危险。有一次作氯气实验,明知氯有毒,还亲自吸入氯气以验证其性质。这种甘冒风险和勤奋的精神,使他在科学上迅速地取得了一系列成就。1816年,他发表第一篇科学论文;1818年,他研究合金钢时,发现添加微量金属元素可以影响合金钢的性能,1820年,他首次用置换反应制成两种碳氯化物;1823年,他液化了氯气;1825年,他从石油中分离出苯,还试制成化学玻璃;1824年,他被选入英国皇家学会,时年33岁;次年升任皇家研究院的实验室主任。他经过多年的反复实验,终于在1831年10月17日宣布,可以用永久磁铁产生电流,使磁力转变为电力,这就是有名的电磁感应原理。利用这个原理,他创制出世界上第一台感应发电机。

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                                          法拉第用过的电磁环

     库仑定理提出之后,静电学又进入了一个崭新的阶段,一些第一流的大数学家参加了进来,其中便有高斯,格林,泊松等人。泊松是拉格朗日的得意高徒,他最先把数学中一整套分析的办法引入到电磁学中来,高斯则把单电荷的库仑定理扩展到连续场中,格林则第一次引入了电势的概念。

  静电学已经发展得很是成熟,与此平行的磁学也找到了类似的与磁极距离平方反比的作用力,但究竟电与磁之间究竟有什么联系?几十年来都没有弄明白。一直到电池问世,人们发现电路中电流时,这个谜底才在1820年被丹麦物理学家奥斯特揭开。奥斯特也是偶然发现通以电流的导线边上的磁针奇迹般地发生了偏转,这一发现当即轰动一时,当年的著名科学刊物《化学和物理学年鉴》破例将他的论文全文刊载,附的编者按也颇耐人寻味:"读者们一定都知道,本刊从不轻易支持宣称有惊人发现的报告,至今我们仍以能坚持这一方针而自诩,然而奥斯特先生的文章显然是个例外,他的结果看起来无论怎么光怪陆离,但每一个数据都是准确无误的,谁也找不到丝毫漏洞。"

    奥斯特的论文很快被译成法文,英文和德文传便了整个欧洲,另一位大物理学家安培接到消息之后大吃一惊,头脑中冒出的第一个想法便是磁体和磁体之间有相互作用,电流和磁体之间也有相互作用,如此说来电流和电流之间也应该有相互作用的呀。电池发明并使用的那么长时间,摆在眼前的奥斯特效应被漠视至此,已经是说不过去了,电流之间的相互作用要是还找不到,岂不令我辈汗颜?

  他马上付诸实验,并于1820年9月18日找到了实验证据,并向法国科学院作了汇报,并给出了著名的安培定律的表达式,而这仅仅是在奥斯特发现电流磁效应的第七天,电磁学的在一个星期的时间里进境之快,当真令人瞠目结舌。   

  物理学家们对自己的粗心大意而后悔,大家都认为下一个目标再也不能放过了,电流可以产生磁,那么电能不能由磁而生呢?但是,这个问题经过十年也未找到答案 。

  法拉第得知奥斯特和安培的进展之后,就把目标锁定在磁如何生电的问题上。十年之间他不知做了多少实验,跟着戴维拜会了多少名家,都没有取得丝毫进展,但法拉第并不气馁。

  最后一次他选定的方案是把磁铁插入绕制的线圈之中,然后观察电流计中的计数。当时的仪器很是庞大,每次法拉第把磁铁插入线圈之后,都须得跑到另外一个放电流计的屋子去读数,结果每每都失望而回。

  有一天,法拉第灵感突现,莫不是在磁棒插入的一瞬间才有电流产生?法拉第向来心思极是周全,但对于这一环节却倒是从未想过,心念一动,叫来同事帮忙,同事把磁铁插入绕制的线圈之中时,他在另一个房间里他果然看到了指针的偏转,法拉第登时目瞪口呆,兴奋得连欢呼都忘了。

    法拉第之所以坚持10年矢志不渝地探索电与磁的联系,重要原因之一是同他关于各种自然力的统一和转化的思想密切相关的,他始终坚信自然界各种不同现象之间有着无限多的联系。也是在这一思想的指导下,他继续研究当时已知的伏打电池、摩擦电、温差电、伽伐尼电池、电磁感应等各种电现象中电的同一性,1832年他发表了〈不同来源的电的同一性〉论文,用大量实验论证了“不管电的来源如何,它的本性都相同”的结论,从而扫除了人们在电的本性问题认识上的种种迷雾。

  电磁感应定律发现又一次轰动了欧洲,法拉第也由此成名。但法拉第在科学上的贡献远远不止这些,他师从戴维,在电化学领域发现了电解第一,第二定律。在实验方面19世纪的物理学家中却没有一个及得上他,是法拉第首先证实了电荷守恒,研究了光的偏振面在强磁场中的旋转,揭示了抗磁性和顺磁性现象,在化学上也是硕果累累,他制造出包括苯,丁烯在内无数的有机物,成功地液化了二氧化碳,氯气,二氧化硫等气体,接连不断地创出新的低温记录。

  但所有这一切比起他提出的场的观念,都不免黯然失色了。法拉第的数学基础不好,这是不争的事实。当时的物理学家各个都擅长用复杂的数学公式来表达物理思想,法拉第就经常合不上拍,但他也有自己的一套办法,用图解的方法表示出电磁场的分布。法拉第称之为力线,并在讲演中经常使用,开始大家都不免窃窃私笑,但没有人料到,这些力线实在是牛顿时代以来物理基础理论的一次最重要的变革。

  在此以前人们的潜意识中都持有的是超距作用的观点,即物质之间相互作用的传递根本是不需要时间的,力本身就是物质的属性,至于它怎样产生是无法说明的。

  这本来是牛顿的一家之言,只是牛顿威望太高,后来人们一直便当天经地义一般。而法拉第的力线则包括了物质之间的作用力乃是通过场来传播的概念,场虽然看不见,摸不着,但却实实在在的是一种物质,这不但为迈克斯韦的电磁场理论奠定了基础,而且对整个二十世纪的物理学影响极深。

  法拉第毕生的思想精髓均汇聚于其著作《电学的实验研究》一书中,由于书中公式寥寥,在当时抱有数学至上观点的物理学界中却反应平平。但是,后世得益于此书的却有两个大大有名的人物,其一便是大发明家爱迪生,他年青时在波士顿的旧书摊上买得一本,虽然页数不全,却也是收益匪浅。晚年的爱迪生腰缠万贯,回忆起来仍认为当年买下法拉第的书是一生中最得意的一笔投资。另一个得益于此书的人便是旷世奇才迈克斯韦。

    法拉第是电磁场理论当之无愧的奠基人,他首先提出了磁力线、电力线的概念,在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想,并第一次提出场的思想,建立了电场、磁场的概念,否定了超距作用观点。爱因斯坦曾指出,场的思想是法拉第最富有创造性的思想,是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想,为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。 

  迈克斯韦出生于苏格兰的爱丁堡,自小沉默寡言,喜好的仅是数学和英文诗歌,同学们都送给他一个外号"傻子",但稍有眼光的老师都清楚这个孩子在数学上的前途不可限量。果然在16岁的时候迈克斯韦就写下了两篇论文《关于旋轮线的理论》和《论弹性的平衡》,居然获得了在皇家学院会议上宣读的资格,但会议真正开始的时候却是由人代读的,他还不过是个穿夹克衫的孩子而已,实在上不得台面。

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迈克斯韦

  迈克斯韦在19岁那年进入剑桥大学学习,他的兴趣极为广泛,数学,物理,化学,哲学方面的课都去听,不过他最喜欢的还是数学。一次著名的大数学家霍普金斯到图书馆去借一本数学著作,管理员告诉他已经被一个叫迈克斯韦的学生借走了,霍普金斯心中暗暗称奇,这本书艰难晦涩,全剑桥的数学教授也未必有几人能看得懂,而一个学生竟能聪明至此?

  自此迈克斯韦师从霍普金斯,水平又升上了一个台阶。数学自古希腊以来一直分为两派,一派以毕达哥拉斯为鼻祖,崇尚抽象数学,并把数学看成纯粹的符号,另一派由法国的笛卡儿,英国的牛顿等人继承了下来,他们强调的是数学的应用性,尤其在物理学中更是一件犀利的锐器。很多大数学家,例如高斯,欧拉等人都是身兼两派之长,在纯数学和应用数学中都有过光辉的贡献。

  而迈克斯韦在老师影响之下,走的是应用数学的路子,这是他一生中最正确的选择,因为他有着比一般数学家强的多的物理直感。自古而来,数学家从事物理的鲜有大家,可见两门学科的思考方式原本大大的不同,物理学家固罕见严密得无以复加的推理本事,数学家也缺少简洁明快地直觉思维,但一朝突破这一障碍,那便是了不起的大师级人物,迈克斯韦便是一例。

  迈克斯韦一生中的另一大幸事便是见到了法拉第,他们二人虽都是第一等的物理学大师,但各方面相差仍是极远:法拉第自学成材,迈克斯韦则毕业于最负名望的剑桥大学,又受业于霍普金斯这等大行家,法拉第的实验手段极是高妙,物理直觉更是胜人一筹,而迈克斯韦的数学功底在当时也不做第二人想。而且这二人的年岁相差足足四十岁,可他们一见面便似多年的老朋友一般,真是无话不谈。

  法拉第虽然威名远扬,但他的电磁理论很少有人问津,说起来法拉第既然发现了电磁感应现象,又别出心裁地引入了场的概念,离电磁场方程的建立也就一步之遥,却偏偏力不从心,想必是数学功基太也不牢的缘故。迈克斯韦则刚好在这一节上拿稳了法拉第的接力棒。电磁学在他手中才到了旁人想也不敢想的至高境界,以他的姓命名的迈克斯韦方程组更是十九世纪物理学的一株奇葩,千载之后,科学家们忆及公元1864年,首先想到的只怕不是轰动一时的美国南北战争,而是那几个朴素的方程。

    法拉第一生热爱真理,热爱人民,真诚质朴,作风严谨,这样的感人事迹很多。

   他说:“一件事实,除非亲眼目睹,我决不能认为自己已经掌握。”“我必须使我的研究具有真正的实验性。”在1855年给化学家申拜因的信中说:“我总是首先对自己采取严厉的批判态度,然后才给别人以这样的机会。”在一次市哲学会的讲演中他指出:“自然哲学家应当是这样一些人:他愿意倾听每一种意见,却下定决心要自己作判断;他应当不被表面现象所迷惑,不对某一种假设有偏爱,不属于任何学派,在学术上不盲从大师;他应当重事不重人,真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质,再加上勤勉,那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”他是这样说的,也确实是这样做的。

   法拉第生活简朴,以致有人到皇家学院实验室作实验时,错把他当作守门的老头。1857年,皇家学会学术委员会一致决议聘请他担任皇家学会会长。对这一荣誉职务他再三拒绝。他说:“我是一个普通人。如果我接受皇家学会希望加在我身上的荣誉,那么我就不能保证自己的诚实和正直,连一年也保证不了。”同样的理由,他谢绝了皇家学院的院长职务。当英国王室准备授予他爵士称号时,他多次婉言谢绝说:“法拉第出身平民,不想变成贵族”。他的好友J.Tyndall对此作了很好的解释:“在他的眼中看去,宫廷的华丽,和布来屯(Brighton)高原上面的雷雨比较起来,算得什么;皇家的一切器具,和落日比较起来,又算得什么?之所以如此,因为雷雨和落日这些现象,在他的心里挑起一种狂喜。在法拉第的心胸中,那些世俗的荣华富贵,当然没有价值了”。“一方面可以得到十五万镑的财产,一方面是完全没有报酬的学问,要在这两者之间去作选择。他却毫不犹豫地选择了后者。”这就是这位铁匠的儿子、订书匠学徒的郑重选择。

   法拉第的座右铭是:“像蜡烛那样为人照明,有一分热,发一分光,忠诚而踏实地为人类伟大事业贡献自己的力量。”的确,他一生中没有一天不在为人类作贡献。1867年8月25日,法拉第在工作椅上安然去世。,按照法拉第的遗愿,墓碑上只刻有他的名字和出生年月。后世的人们,选择了法拉作为电容的国际单位,以纪念这位伟大的物理大师

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纪念法拉第英国发行的纸币(1993)

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