法拉第

第一节 新思想泽被后世

　　一旦科学插上幻想的翅膀，在你的头脑中翱翔，它就一定能够赢得胜利。——法拉第

　　中国有句俗语：曲高和寡。世界上许多伟大的科学预言，在出现的最开始都被人当做奇谈怪论，很少有人接受。

　　法拉第的新思想，由于缺乏严密的论证，起初也引起许多研究者的怀疑。但是有两位年轻有为的英国物理学家，为法拉第的新颖观点所吸引。

　　这两位科学家一个是格拉斯哥的威廉·汤姆生，即后来著名的开尔文勋爵，另一个是剑桥大学的麦克斯韦。

　　汤姆生是一个神童，20岁大学毕业，首先选择了电磁学当做进军的目标，虽说热力学也在他的视野范围之内，然而自从法拉第在1831年发现电磁感应以后，汤姆生受到强烈的吸引。

　　汤姆生十分羡慕法拉第的成就，尤其是对法拉第关于电力线和磁力线的思想很感兴趣。汤姆生掌握了数学工具之后，更觉得电磁学是个大有可为的领域，跃跃欲试。

　　1845年初夏，汤姆生从法国回到剑桥大学，参加了英国科学协会的会议，出席这次会议的都是著名学者，包括法拉第、焦耳这样一些世界第一流的大科学家。

　　会上，汤姆生正好和法拉第坐在一起，并进行了交谈。当时，法拉第从皮包里取出自己写的一本电学专著《电学实验研究》递给汤姆生，建议他抽空一读。

　　汤姆生当时很想提出来同法拉第合作，他犹豫了一下，没说出自己的想法。

　　法拉第那时已54岁，久病初愈，刚恢复研究工作。他虽然赏识汤姆生的才能，但也没有想到这个21岁的后生是最理想的助手。所以，尽管他们探索的目标是共同的，特别是汤姆生又精通数学，却失之交臂，没有能够携起手来，想来是十分遗憾的。

　　以后，汤姆生有好几次想把自己对电磁的研究总结成理论性的东西，但都没有成功。1846年11月，他担任教授职务后还悉心研究电学，并很有进展，还用数学方法对电磁力的性质做了有益的探讨。

　　汤姆生还试图用数学公式把电力和磁力统一起来，这的确是一个天才的设想。实际上，他已经走到了电磁理论的边缘，只要再向前迈一步，就能够发现真理。

　　可惜的是，汤姆生后来没有把这个研究进行到底，因而建立电磁理论的桂冠，就只好让麦克斯韦来戴了。

　　麦克斯韦出生于1831年11月13日。1854年，23岁的麦克斯韦大学毕业，留在母校剑桥大学任教。

　　不久，麦克斯韦读到了法拉第的《电学实验研究》，马上被书中的新颖的实验和见解吸引住了。

　　当时，学术界对法拉第的学说看法不一致，有不少非议。主要原因是“超距作用”的传统观念影响还很深，牛顿力学的大厦动摇了，但是并没有倒塌。

　　同时，也因为法拉第的学说在理论上还不够严谨。

　　作为实验大师，法拉第是举世无双的，但是由于没有受过正规的高等教育，唯独数学功夫不够。

　　法拉第的创见都是用直观的形式表达的，一般的理论物理学家都不承认法拉第的学说，认为它不过是一些实验记录。

　　然而麦克斯韦受到汤姆生的影响，相信法拉第学说中包含着真理。他在认真研究了法拉第的著作以后，领悟出力线思想的宝贵价值，也看到了法拉第定性表达的弱点。

　　这个初出茅庐的青年科学家决心用数学来弥补这一点。

　　一年之后，24岁的麦克斯韦发表了《论法拉第的力线》，这是第一篇关于电磁学的论文。

　　这位后起之秀接过了伟大先驱者法拉第手中的火炬，开始向电磁领域的制高点挺进。

　　且说那天法拉第正在叹息不已时，突然，放在桌上新到专业期刊上一篇醒目的标题跳入了他的眼帘：《论法拉第的力线》。

　　法拉第一阵激动，他如饥似渴地将论文读了一遍，真是一篇好文章啊！

　　在论文中，麦克斯韦通过数学方法，把电流周围存在力线这一现象，概括成一个高等数学里的矢量偏微分方程。

　　法拉第想自己从小失学，最缺的就是数学，现在突然降下了这么一位理解自己思想，又长于数学的帮手，真是高兴得乐不可支。

　　“哈哈，我的理论后继有人了！”法拉第感到无比的欣慰。

　　几年后，也就是1860年夏，麦克斯韦因故来到伦敦皇家学院任教，时年28岁。这次工作的变动，是他一生事业的转折点。

　　麦克斯韦对法拉第仰望已久，早在剑桥教书的四年时间里，他就一直想用数学公式表达法拉第的学说，他经常给法拉第写信，探索电磁的奥秘。

　　麦克斯韦到达伦敦后去拜访了法拉第，这是一次难忘的会晤，法拉第已年近七旬，两鬓斑白。他和麦克斯韦一见如故，亲切地交谈起来。

　　当麦克斯韦征求他对论文的看法时，法拉第高兴地说：“当我知道你用数学来构造这一主题，起初我几乎吓坏了，我惊讶地看到，你处理得如此之好啊！”

　　法拉第还说：“我不认为自己的学说一定是真理，但是只有你才是真正理解它的人。”

　　“先生能给我指出论文的缺点吗？”麦克斯韦腼腆地说。

　　“但是，你不应该停留在用数学来解释我的观点，”这位大师沉思道，“你应该更深层地把它突破！”

　　法拉第的话犹如一盏明灯，照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路，他立即用最大的热情投入新的战斗。

　　1862年，麦克斯韦在英国《哲学杂志》4卷23期上，发表了第二篇电磁学论文《论物理学的力线》。

　　这是一篇划时代的论文，它同1855年的《论法拉第的力线》相比，有了质的飞跃。

　　论文不再是法拉第观点的单纯的数学解释，而是对法拉第的观点作了重大的引申和发展。其中具有决定意义的一步，是引进了“位移电流”的概念。

　　麦克斯韦分析了法拉第对电介质的研究以后，确认在电场变化着的电介质中，电流也存在，他把这称为“位移电流”。

　　另外，麦克斯韦还计算出这种电流的速度正好等于光速，这一惊人的“巧合”中，包含着神奇而伟大的内在联系。

　　从理论上引出位移电流的概念，的确是电磁学上继法拉第电磁感应以后的一项重大突破。

　　根据这一科学假设，麦克斯韦推导出两个高度抽象的偏微分方程式，这即是著名的麦克斯韦方程式。

　　根据这组方程所揭示的规律，不但变化着的磁场产生电场，而且变化着的电场也产生磁场。凡是有磁场变化的地方，它的周围不管是导体或者电介质，都有感应电场存在。

　　经过麦克斯韦创造性的总结，电磁现象的规律，终于被他用不可动摇的数学形式揭示出来。

　　直到此时，电磁学才开始成为一种科学理论。而法拉第，则是这座理论大厦的奠基人。

　　1865年，麦克斯韦发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》。在这篇论文中，麦克斯韦方程的形式更加完善，他并且由此推导出电场和磁场的波动方程。

　　根据计算，这个“波”的传播速度，恰好等于光速！直到此时，电磁波的存在是确定无疑了！

　　麦克斯韦因此大胆断定，光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁理论的猜想，就这样由麦克斯韦变成了科学的理论。

　　历史记下了这个辉煌，23年以后，德国青年物理学家赫兹用实验发现了电磁波，证明了麦克斯韦的理论。

　　法拉第当年的伟大预言，经过几代人的接力，终于变成现实。令人遗憾的是，法拉第没有亲眼看到电磁理论的胜利，麦克斯韦也没有看到这一天。

　　法拉第经过毕生的辛勤努力，终于为人类开发了一个全新的知识领域。其一生总结性的著作是《电学实验研究》。

　　有趣的是，在法拉第的这部巨著中，几乎没有一条数学公式。金无足赤，人无完人，无论是政治伟人或科学巨匠，都不可能是十全十美的。

　　法拉第的不足之处是其数学知识贫乏，这一缺憾后来由其学生麦克斯韦弥补了。也许是缘分，麦克斯韦和法拉第相逢，最终完成了电磁理论大业。而汤姆生与法拉第却失之交臂。