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第六回     自学成才的大科学家——法拉第

(2007-12-04 09:20:44)
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知识/探索

第六回     自学成才的大科学家——法拉第

 

牛顿时代没有交流电,更没电灯、电视、手机和电脑。因为那时发电机还没有被发明呢。发明发电机的是何许人也?他就是只上过几年小学的法拉第!我们可一定要到他哪里去看看啊。

法拉第(Michael Faraday),英国物理学家、化学家,也是著名的自学成才的科学家。在物理上,他发现了电磁感应现象,提出电磁感应定律;第一个证明了电荷守恒定律;提出电场、磁场、电感线、磁感线等概念;预言了电磁作用的传播,以及光是电磁振动的传播。

法拉第于1791年9月22日出生于英格兰萨里郡纽困顿一个贫苦的铁匠家里,兄弟姐妹共10人。7岁时,法拉第开始上学,他父亲体弱多病,铁匠铺开不下去了,最后只好盘给人家,自己去当帮工。9岁时父亲因劳累过度不幸去世,他不得不退学在家,12岁就当报童,帮助家里解决一些经济困难。14岁时,法拉第一家迁往伦敦,经人介绍,去里波先生的书店里当学徒,学装订手艺。从此,法拉第走上了生活的道路。在别人看来,由于受教育太少,再加上装订工作的辛劳,法拉第的人生发展似乎已经到此为止了。但是结果却与人们的想像截然相反。书店工作使法拉第交上了好运,因为他可以接触到大量的书籍。他一边辛勤干活,一边贪婪地从书本上攫取科学文化知识。他利用几乎全部的工余时间刻苦自学,很快就使自己潜入了知识的海洋。每当他接触到有趣的书籍时就贪婪地读起来,尤其是百科全书和有关电的书本,简直使他着了迷。繁重的体力劳动,无知和贫穷,都没有能阻挡法拉第向科学进军。据他自己后来说:“这些书中有两部对我特别有帮助,一部是《大英百科全书》,我从它第一次得到电的概念;另一部是马塞夫人的《化学谈话》,它给了我这门科学的基础。”他还省吃俭用,买点器具自己做些简单的化学和电学实验。

里波先生的书店在伦敦是很有名气的,加上法拉第手艺出众,态度和气,赢得了顾客的好感。因此,皇家学会很多会员,都乐意把自己的科技书籍送来装订。法拉第在书店里工作了7年,犹如上了7年学,知识水平增长了,求知欲望也更强了,他经人介绍参加了市里的哲学学会,每周听一次自然哲学讲座,内容包括电学、力学、光学、化学、天文学、实验等等。他共听了12讲,在此受到了初步的科学教育。顾客中有位当斯先生很喜欢法拉第,有一次他送给法拉第4张入场券,让去他听皇家研究院主任、化学家戴维教授的讲座。

1812年2月的一个晚上,法拉第生平第一次跨进皇家学院的大门,坐在阶梯形的讲演厅里。他的心情紧张而又兴奋。戴维终于出现了,大厅里响起一阵阵热烈的掌声。戴维讲的题目是发热发光物质,讲得那么轻松,却又那么透彻。他精神抖擞,神采奕奕,天才的光华和热力,似乎正从他的身上向外辐射。法拉第被深深地吸引住了,他飞快地记着,笔记本翻过一页又一页。法拉第一连听了戴维的4次讲座,好像游历了美丽、庄严、圣洁的科学殿堂,那里阳光灿烂,照得他心里光明、温暖。他把4次听讲的笔记仔细整理以后,用漂亮的皮封面装订成册,经常轻轻地翻阅。他还热忱地抓住戴维的每个科学观点,转述给市哲学学会的同伴。这年10月法拉第学徒期满,他多么渴望能从事科学研究工作啊!

遗憾的是,在那个时代,命运对穷人从来不露出笑脸。它总是一副威严、狰狞的面孔,迫使你对它膜拜和屈服。然而,也有许多穷人并不屈从,他们顽强地和命运搏斗。法拉第就是其中最典型的一个。这个铁匠的儿子,从小爱看父亲挥舞大锤,一下一下地锻打烧红的铁块。铁块变冷变硬以后,父亲把它放在炉火里重新烧红。经过千锤百炼,铁坯终于按照人的意志变成各种工具。父亲曾经自豪地对他说:铁匠面前永远没有顽铁。多少年来,父亲的话一直激励着他。

于是,他决定写信给当时的英国皇家学会会长班克斯爵士,要求在皇家学院找个工作,哪怕在实验室里洗瓶子也行。他心神不宁地等了整整一个星期,音信全无。他忍不住跑到皇家学院去打听,得到的回音只是冷冰冰的一句话:“班克斯爵士说,你的信不必回复!”受到这个屈辱的打击,法拉第感到伤心。但他毫不气馁。他回想起了自己学画的经历。法拉第从小就练得一手好字。至于绘画,他是从一个名叫马克里埃的法国画家那里学来的。那位曾经给拿破仑皇帝画过像,后来横渡英吉利海峡,流亡到伦敦的画家,恰好借住在里波先生铺子的楼上,和法拉第成了邻居。画家看到法拉第学画心切,答应教他。作为交换条件,法拉第要替画家擦皮靴和收拾房间。画家心眼不坏,教得也很认真,可脾气不好,经常责骂法拉第。法拉第逆来顺受,坚持跟他学画,终于学会了投影和透视,能够逼真地、艺术地把眼前的东西画下来。从这段经历中,他体会到:只有忍辱负重,敢于向命运挑战,才能把本来不属于自己的东西追求到手。

法拉第又一次向命运挑战了。他鼓起勇气于1812年圣诞节前夕写信给戴维,表示献身科学事业的决心,并随信附上自己记录并装订的《H.戴维爵士讲演录》。法拉第巨大的热情、超人的记忆和献身科学的精神,感动了这位大化学家,他终于得到了戴维的赏识。科学圣殿的大门向学陡出身的法拉弟打开了!

1813年2月,法拉第在戴维的推荐下,进入英国皇家实验室工作,先做勤杂工,后做戴维的实验助手。这里全然不同于书店,他可以从学院丰富的藏书中汲取更多的知识;有机会聆听名家的讲演;及时地了解到国内和欧洲大陆的科学新发现。这段经历,既是他自学生涯的一个重要内容,也为他日后成为实验大师奠定了十分坚实的基础。同年10月,戴维夫妇到欧洲各地做科学考察和旅行,法拉第作为仆人和助手跟随。这次长达18个月的科学旅行,是年轻的法拉第见世面、长知识、增才干的大好时机,他结识了不少欧洲知名的科学家,如安培、盖.吕萨克、伏打等。回国后,他作为实验助手,开始了独立的科研工作。开始主要研究化学,从1816~1819年共发表了37篇论文,到1820年,他已是一位小有名气的化学家了。

1817年,法拉第连续发表了6篇论文。这些论文的发表,使他增强了从事科学研究的信心,同时,许科学家也逐步了解了法拉第。1819年,法拉第应斯达特的要求,研究了不锈钢与各种合金,他在皇家实验室中,靠斯达特的资助,建造了一个小小的冶炼炉,不久就炼出了铁镍合金,后来又炼出铂、钯、锗、银、铬、锡、钛、饿、铱等多种金属与铁的合金。  1820年,法拉第合成了二氯乙烷和六氯乙烷,但在当时,有机化学发展得还很不够,因此,法拉第把他的合成物叫做“氯化碳”。到这个时候,法拉第的才能逐步为人们所了解。

1821年,他被提升为皇家学院实验室的总负责人。1824年1月,法拉第当选为英国皇家学会会员,1825年发现,为芳香族化合物的研究和应用开辟了道路 。同年,任皇家研究院实验室主任。从1831年起,法拉第的科学工作进入研究电磁学新阶段。大约在1821年9月法拉第就发明电动机。那时他就论证过,既然电对磁有作用,那么磁也应当对电有反作用。经过多次实验,他终于在1831年8月获得成功。他在一个圆形软铁环两边绕上A、B两组线圈,在A组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间,B组线圈中会感生出电流,法拉第把这叫做“伏打电感应”。10月又发现,磁铁和导线的闭合回路有相对运动时,回路中会产生感生电流,法拉第称之为“磁电感应”。伏打电感应孕育了变压器的诞生,磁电感应预告了发电机的出现。这两类电磁感应现象的发现为电在未来的大规模应用奠定了基础。这项工作获得了皇家学会的科普利奖章。为阐述这些发现,他先后提出了磁力线电力线的概念。

1832年法拉第发表了《不同来源的电的同一性》一文,用实验证明不同形式的电,如摩擦电、伽伐尼电、伏打电、感应电及温差电,其本质都是一样的。1833~1834年,他发现了这样两条电解定律(后来称为法拉第第一和第二电解定律):(1)电解时,在电极上析出或溶解悼的物质的重量,与通过电极的电量成正比;(2)如通过的电量相同,则析出或溶解掉的不同物质的化学克当量数相同。这是电化学的开创性工作,第二定律并且指明了电荷具有最小单位。法拉第还创造了许多至今仍普遍采用的电学术语,并测定了电解一克当量物质所需要的电量为96484.6库仑,此值后来称为法拉第常数。后来冰桶实验又证明了电荷守恒定律。人们为了纪念法拉第,把这两条电解定律称为“法拉第定律”。并把电容的单位称为法拉。电解定律的发现,把电和化学统一起来了,这使法拉第成了世界知名的化学家。

在电与磁的统一性被证实之后,法拉第决心寻找光与电磁现象的联系。1845年他发现了原来没有旋光性的重玻璃在强磁场作用下产生旋光性,使偏振光的偏振面发生偏转,此即法拉第效应或磁致光效应,该效应可用来分析碳氢化合物,因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性。这也成为人类第一次认识到电磁现象与光现象间的关系。1846年他发表了《关于光振动的想法》一文,他写道:“……把辐射看作在力线中所作的一种高级振动……,我的观点是排除以太,但并不排除振动。” 19世纪后半叶,实验观测到电磁波的存在,证实了法拉第的大胆预言。当然,法拉第并没有真正排除以太,他把电磁现象看作是一种连续媒质中的应力和应变的表现。这种假想的连续媒质后来被叫做电磁以太,和所谓的光以太是同一种东西。

法拉第最早提出了光的电磁本质的思想。他曾设计并不畏艰苦地作过许多实验,试图发现重力和电的关系,寻找磁场对光源所发射光谱线的影响,寻找电对光的作用等等,由于当时实验条件所限,虽未获成功,但他的思想和观点完全正确,均为后人的实验所验证。

受电磁感应启示,他直觉地揣测到磁铁周围是一个充满力线的场,感生电流的产生是由于导体切割力线。早在1832年3月12日,他在文稿中写道:“……使我相信,磁的作用是渐进的,是需要时间的,”“有理由假设,电(压)的感应也是以类似的渐进方式进行的。”这是物理学史上第一次认真地向力的超距作用概念提出的挑战。

1833法拉第年升为教授。他在实验室里工作了近50年,在电磁学、光学和化学等领域里都做出了突出的贡献,曾两度获得英国皇家学会的奖章。从1820年9月起,到1862年3月止,他对所从事的实验工作都有详细的记录,这些记录,他遗赠给皇家研究院,经后人整理出版,共7大卷,3000多页,这就是著名的《法拉第日记》此外,他所发表的关于电磁学的论文,汇成三大卷《电学的实验研究》,是电磁学历史上的巨著。

法拉第晚年的研究工作仍然是为了证实他的一个坚定信念──自然界的各种力相互有关。在1845年他写道:“我早就相信力的统一性。”1849年和1859年进行多次试验,试图发现重力和电的关系。法拉第实验日记中最后一个的编号是 16041。这个实验是在1862年3月12日,为的是寻找磁场对光源发射光谱谱线的影响,没有成功。

法拉第是实验大师,人们常常称他是19世纪最伟大的实验物理学家,不过他自己更喜欢称自己是自然哲学家。法拉第具有丰富的直觉想象能力。他的关于自然界的各种力相互有关并具有同一来源,空间有场,场中充满力线,力的作用以场为中心以有限速度传递等观点,与19世纪占统治地位的牛顿派的观点针锋相对,是有革命性的。法拉第也有一些失败了的实验,在许多年后由别人做成功了,如电光效应在30年后由J.克尔发现,磁场对光源发射光谱谱线的影响在34年后由P.塞曼证实;而引力场和电磁场的统一至今仍是物理学中的重大问题。诚如麦克斯韦所说:“这些观念是以一种更适合于一门正在形成中的科学的语言表述的。”场概念的提出为建立电磁现象的理论奠定了基础。20世纪中发展起来的量子场论,更进一步发展了法拉第的场的理论。

法拉第还热心科学普及工作。从1825年开始,为了筹措研究经费和普及科学知识,他创办了星期五晚间的演讲,到他退休为止,共讲了100多次,对英国上层社会的科学教育起了重要作用。另外,他每年圣诞节都特别对儿童作一系列科学演讲,这种讲演达19年之久。鼓励青少年热爱科学,立志为科学献身。他的科普讲座深入浅出,配以丰富的演示实验,深受欢迎  。他在1860~1861年间的演讲,由W.克鲁克斯汇集成著名的科普读物《  蜡烛的故事》。法拉第还热心公众事业,长时期为英国的许多公私机构服务。

法拉第为人和蔼、文雅、谦虚而自尊,热爱大自然的美,过着简朴的生活。他一生不计较名誉地位,更不计较钱财,许多大学欲赠予名誉学位,均遭拒绝。多次谢绝了制造商的高价聘请,谢绝了大家提名他为皇家学会会长和维多利亚女皇准备授予他的爵位,因为他愿意永远做一个普通的法拉第。

1867年8月25日,法拉第在维多利亚女王赠给他的寓所中逝世,终年76岁。他逝世后,皇家学会为他举行了隆重的葬礼,各国科学家都对他表示深切的哀悼。

最后,充分了解一下电磁感应的发现的具过程是非常有趣的。1820年奥斯特发现了电流的磁效应之后,法拉第于1821年提出“既然电能生磁,那么磁应能生电”的大胆设想,并开始了长期艰苦的探索。1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动,第一次实现了电磁运动向机械运动的转换,从而建立了电动机的实验室模型。但是磁怎样生电呢?从1821年开始,法拉第把磁铁、电池、线圈和电流计放在一起弄来弄去,弄了很久,都没能弄出电来。经过无数次实验的失败,法拉第并不甘心,这一弄就是十年!能够这样矢志不渝地坚持10年,这是多么的不容易啊!直到1831年8月的某一天他在一个圆形软铁环两边绕上两组线圈,在其中一组线圈同伏打电池接通或切断的瞬间,串接另一组线圈中的电流计摆动了一下!生电了!生电了!法拉第高兴极了,什么也不顾了,在试验室里跳啊蹦啊,手舞足蹈了半个小时!多不容易啊,十年寒窗无人问,一举成功乐无穷!朋友,如果说法拉第是向全世界第一个送电的人,你大概不会反对吧?

相传法拉第的老师戴维,一个誉满全球、世界公认的大化学家在瑞士日内瓦养病时,有人问他一生中最伟大的发现是什么,他绝口不提自己发现的钠、钾、氯、氟等元素,这位伯乐却说:“我最伟大的发现是一个人,是法拉第!”

 

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