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为什么法拉第发现电磁感应定律用了十年?

提起现代化发展历程,那一定绕不开一个名字——法拉第。他几乎以一己之力带领人类走进了电气时代。

他第一个验证了电荷守恒定律,这是物理学的基本定律之一,他还发现了辉光现象,这是后来汤姆孙发现电子的基础,磁光效应也是他发现的,磁光效应就是说光的偏振面可以在磁场下偏转,这意味着光也是一种电磁波,半导体现象也是法拉第最早发现的,半导体的重要作用就不用多说了。

当然了,这并不能说法拉第是半导体行业的奠基人,当然法拉第也不在乎,他根本就不缺奠基人这种称呼。

他发现了电解定律,这就是说现在电镀行业他就是祖师爷,金相分析也是他首创的,整个冶金行业都要对法拉第俯首称臣了。

觉得这些都不够高大上吧,都是一堆发现,那咱们来看看高大上的,场的概念就是法拉第提出的,单单这一个概念就足以撼动牛顿爵爷至高无上的地位了吧,还不止呢,爱因斯坦说过「相对论就是场论」,这就是说他还启发了爱因斯坦。

这些还不是他最重要的发现,法拉第最重要的发现是电动机和发电机,这两项发现直接把人类带入了电气时代。

只是这两个发现之间,整整隔了十年。

是工作太忙,耽搁了?还是江郎才尽,沉寂了?

还真不是,之所以间隔了十年纯粹是人为原因,这个人就是戴维。

戴维可以说是法拉第一生中最重要的人,要说恩,他对法拉第恩重如山,要说仇,也是「仇深似海」。

1.

迈克尔·法拉第,1791 年出生于英国,父亲是一名铁匠。如果不是蒸汽机的出现,法拉第就会子承父业,可是由于蒸汽机的出现,铁匠这个本来有大好前途的职业迅速衰落,法拉第家自是门前冷落,甚至难以糊口。

连饭都吃不上了,法拉第自然是不能完成学业,少年法拉第只读了两年小学就担负起了养家糊口的重任。

俗话说「人丑就要多读书」,英俊少年法拉第见识非凡,深知「人穷更要多读书」,于是,他果断投身于当时的朝阳产业——出版业,当了一名报童。

当时的报童并不是今天的快递小哥,一个称职的快递小哥既不能品尝一下客户的美食,也不能试用一下客户的商品,而报童却可以随时享用客户的商品,一个称职的报童更要博览群书。

这么说吧,当时的报童就相当于今天的图书管理员,这份职业前途太远大了。

少年法拉第一头扎进了知识的海洋,不但看文学类,而且更喜欢自然科学,当时的大英帝国,最走流量的不是各类娱乐明星,而是科学家,科学家的一言一行引起的关注都远超今天的网红,英国皇家学会主办的的科学家的演讲每一次都是万人空巷。

不过当时的法拉第,也只能徘徊在皇家学会演讲大厅的门外,因为科学家的演讲是要门票的,报童的收入仅能养家糊口,哪够购票走进演讲大厅呢?

机会总是有的。

机缘凑巧的情况下,法拉第得到了几张赠票,由此走进了皇家学院的大门,也第一次见到了戴维爵士。

戴维爵士年少成名,是当时科学星空中最亮的一颗星,也是法拉第心中的偶像。

戴维爵士出身和法拉第比较相像,他的父亲和法拉第都是手工艺人,不过也略有差别,戴维的父亲是个木器雕刻匠,这工作自带三分艺术气质,比起法拉第父亲的铁匠要好多了,家境也比法拉第家好了不少,足以供得起戴维读完中学。

中学毕业后,戴维到药房当起了学徒,这和法拉第很相像,但更幸运的是,在学徒期间,戴维遇到了命中的贵人——发明家瓦特的儿子,瓦特的儿子教会了戴维很多知识,还把他推荐到科学机构工作,这从根本上改变了戴维的一生,戴维也由此开创了自己的远大前程。

法拉第当然想重复偶像走过的道路,可是单单在台下鼓掌是吸引不了偶像的注意的,那么如何才能引起偶像的注意呢?法拉第想到了自己的手艺。

当时机械印刷机还没有出现,书籍的整理和装帧都要靠专业人士来完成,而法拉第就是此道高手。

听了多次演讲后,法拉第把戴维演讲的内容整理成册装帧成书,并寄给了戴维爵士。

戴维见到书后大吃一惊,要知道他自己少年成名,行事常常不拘小节,实验难免任性而为,这就导致他的实验记录相当潦草。

所以,看到法拉第整理好,并且装帧精美的书籍时,戴维不由得心中一动,思索之后,便决定将法拉第招致麾下,由此可见,学会一门技术是多么重要。

其实,此时作为出版界资深人士的法拉第,无论是工作还是收入,都正在奔小康的路上,老婆孩子热炕头的美好生活在向他招手,但作为科学的迷弟,怎么可能会被这种小目标诱惑呢?法拉第高兴地接受了戴维的邀请,重新当上了学徒。

这段时间可以说是师徒两人的蜜月期,戴维爵士教给了法拉第知识和实验技巧,法拉第则协助戴维爵士发现了碘元素,证明了金刚石的成分就是碳。

本着人尽其才物尽其用的思路,戴维爵士还让法拉第做了一些辅助工作,包括给自己刷洗大衣,法拉第虽然有点不满,可也遵从了爵士的安排,总体来说,这段时间两人的相处还是很融洽的。

可是这一片祥和被一个小磁针打破了。

2.

1820 年 4 月,丹麦科学家奥斯特在一次演讲结束后,把一个小磁针放在了一根细铂丝下面,然后把细铂丝电池连接,没想到,接通电源后,在电流通过细铂丝的一瞬间,小磁针竟然动了。

这就是著名的奥斯特实验。

在这个实验之前,人们其实就已经认识到了电和磁,比如古老的指南针就是对磁的了解,而各大文明中也都有对摩擦生电的记载。

但那时,人们大都认为电是电,磁是磁,两者毫无关系,而奥斯特实验第一次把电和磁联系到了一起,这是一个开天辟地的实验。

法拉第后来在评价奥斯特实验时曾说:「它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑,如今充满光明」。

奥斯特实验震惊了世界,各路高手都纷纷卷进了电磁世界,这当然包括戴维爵士。

戴维爵士号称「电解狂魔」,作为发现化学元素最多的化学家,他的实验方法简单粗暴,不管什么化合物,直接熔融电解,就凭着这一招,他成了发现化学元素最多的化学家。而且在实际应用上,戴维爵士还发明了电灯。

可以说在当时对电的了解无人可出其右。

可是即便是戴维爵士,也不能让奥斯特实验中的小磁针再多动一下,电和磁的关系在乍现光明后又陷入了黑暗之中,用戴维的话来说就是「只有上帝知道其中的原因」。

戴维没有想到的是,上帝就在他的身边,就是他的小跟班法拉第。

3.

法拉第设计了新的实验方案。

他把一根磁棒直立在一个玻璃缸中,磁棒底端用蜡固定于缸底,在缸中盛满水银,磁棒的北极露出于水银面。然后,他再把一根粗钢丝穿过软木塞,这样一来钢丝就可以浮在水银液面上。

粗钢丝的上端通过一根细铜线连在电池的一个极上,粗钢丝的下端浸于水银液里。接着,法拉第又用一根导线连在电池的另一个极上,现在,只要把这根导线浸到水银液里,便会形成一个闭合回路。

当法拉第接通电源后,奇迹出现了,软木塞上的那根钢丝居然绕着磁棒转起来了。

这就是世界上第一台电动机。

如果说奥斯特实验推开了电磁世界的一道门缝,那么法拉第则把这扇大门完全推开了。

电动机后来取代了蒸汽机成为人类征服自然的帮手,法拉第也算是为自己报了蒸汽机夺去家传技艺的一箭之仇,这莫非就是所谓的「一饮一啄,莫非前定」?

按照常规套路,接下来的剧情就应该是法拉第迎娶白富美出任 CEO 走上人生巅峰了,可是这是常规套路,对于法拉第来说,人生从来就是地狱模式。

迎娶白富美就不要想了,做实验的时候,法拉第刚刚和他的一生挚爱撒拉结婚,俩人还处于蜜月之中,何况法拉第对财富看得很淡,是绝对不做陈世美的。

那出任 CEO 呢,就是当选英国皇家学会会长,这也不用想了,戴维也是刚刚出任会长,皇家学会从来就没有退位让贤这一说,这是从胡克牛顿就有的老传统了。

走上人生巅峰总可以了吧,这更不可能了,他反而陷入了至暗时刻。

4.

法拉第完成实验后,按理说应该向戴维汇报,法拉第是这么想的,可他却没有这么做,并不是法拉第天生反骨,而是戴维此时并没有在伦敦。

想立刻找到他可不是件容易事,要知道那个时代的通信手段都要靠马车帆船,无论电报电话包括手机都要依赖法拉第的发现才能发明出来,而当时《科学季刊》又一直在催稿,所以,法拉第不及多想,便直接把这一发现写成论文投了出去。

这一篇论文撕开了两人关系上温情脉脉的面纱。

论文并没有给法拉第带来应得的荣誉,反而带来了无尽的烦恼——

论文的发表触发了科学界万恶的潜规则,没有经过老板同意,私自发表论文即便在今天也是大逆不道,何况法拉第的老板戴维是当时的学界领袖,而他仅仅是一个小学只读了两年的学徒。

一时间,各种流言扑面而来,”剽窃””不自量力”等一个学者能遭受到的恶毒非议都加到了他的身上。

在此事件中唯一能还法拉第清白的就是戴维,作为法拉第的恩师和引路人,戴维最清楚法拉第的学识和为人,可戴维却保持了沉默。

戴维的这一举动深深地伤害了法拉第,不过法拉第也无话可说,毕竟是他有错在先,难免会让戴维不高兴,而且「帮助是情分,不帮是本分」,戴维也不是圣人,沉默就沉默吧。

可接下来的事情却让法拉第愤怒了。

由于在氯气方面出色的研究,法拉第获得了成为皇家学会会员的提名,这可是当年一个科学家能够获得的最高荣誉了,这意味着科学界对他工作的认可,可法拉第没想到的是戴维要求他撤回提名,一向逆来顺受的法拉第第一次拒绝了戴维的无理要求,可戴维还是用会长的权力阻扰了对法拉第的表决,直到半年后,法拉第才当选了皇家学会会员,在无记名投票中,只有一票反对,无疑这一票就出自戴维之手。

乍看起来,这只是一个老师和学生之间的矛盾,其实这却是英国皇家学会的传统。

作为世界上最古老的科学组织,英国皇家学会一直就有内斗的传统,为了争名夺利他们不惜用尽各种手段,始作俑者就是一代枭雄胡克,集大成者则是天神下凡的牛顿爵爷,和这些前辈比起来,戴维还算厚道,毕竟他并没有亲自出面指责法拉第,不管怎么说戴维还是有和法拉第相似的经历,当年他也曾受到过瓦特之子的厚爱。

不过戴维的厚道也仅仅是和胡克牛顿相比而已,对于法拉第来说,这仍然是一场灾难。

和胡克牛顿对对手的严酷不同,戴维对法拉第采用了更腹黑的手段。

戴维并没有阻挠法拉第的工作,而是对他委以重任,他安排法拉第去做光学玻璃和冶金学研究,这个工作安排的理由冠冕堂皇地让人无法拒绝,因为当时皇家学会资金紧张,必须要进行工业应用方面的研究来创造效益,而法拉第作为青年翘楚来做这个工作看起来是最合适不过的了。

可问题是这种工作并非法拉第擅长。

曾有人评价过法拉第:法拉第的天才在应用科学方面,确实没有充分发展,他的特长要到到知识的未知领域才能充分表现出来。

法拉第自己也深知这一点,在接受任务时,他在笔记中写道:自己不是一个制造家,要完成这些制造,实在不敢打包票。
作为法拉第的老师,戴维当然清楚法拉第的长处,可是他依然如此安排,不能不说他和法拉第的争端已经超出了师生恩怨,更多的是一种嫉妒,这个时候的戴维已经不是一个人,在他的背后有胡克牛顿这些前辈的影子。

可这毕竟是恩师的安排,法拉第虽然不情愿还是接受了任务,光学玻璃和冶金学的研究并没有缓解皇家学会的财政危机,只是耽误了法拉第的时间。

孟子曾说过「故天将降大任于是人也,必先苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤,空伐其身,行弗乱其所为,所以动心忍性,增益其所不能」。对于法拉第来说现在已经「苦其心志,劳其筋骨,饿其体肤,空伐其身」了,所幸法拉第没有「行弗乱其所为」,而是「动心忍性,增益其所不能」。

这些繁琐的工作中,法拉第成为了皇家学会的实验室主任,这确实是戴维提议的,而且也忍不住说道:法拉第是我一生最大的发现。

这并不代表戴维后悔他对法拉第的所作所为,要是戴维有些许悔意的话,他就应该放开对法拉第的束缚,任由法拉第驰骋。

他从来就没有真正理解过法拉第,法拉第闯进科学殿堂并不是功名利禄,他是出于对科学的热爱对未知的项王,戴维就好像是君子剑岳不群,他总是以自己的思维去揣测别人的想法,而法拉第就像是令狐冲,一直在以赤子之心对待着这个神秘的世界。 

在法拉第的内心中,他对电磁学的火焰一直就没有熄灭过——他确实让线圈转了起来,但是此时的电取自于伏打电堆,而伏打电堆的电能有限,只能作为实验室里的爱宠,要想获得强大的电能,必须要从自然界中去获取,那么如何在自然界中取得电能,这是一直萦绕在法拉第心头的大问题,可他却没有任何机会去探索和实践。

从这可以看到,其实此时的法拉第,所遭遇的已经超过了当年牛顿,毕竟,至少牛顿身边还有好友哈雷支持,而法拉第只能孤身在暗夜中潜行,孤立无援地等待一个机会的降临。

机会没有等来,却等来了戴维去世的消息,很难说此时法拉第的心情,可不管什么心情,法拉第都没有时间去体会了。

因为宝贵的研究时间,他已经失去十年了。

而对于电磁学来说,研究也停滞了十年,这十年间,人们为了让磁生电想尽了各种办法,可是都收效甚微。

可能注定整个世界都在等待着法拉第王者归来。

 5.

1831 年 7 月 4 日,法拉第向皇家学会秘书写信,表达了自己要专心电磁实验的想法。

在此之前,法拉第已经辞去了皇家学会的行政职务,十年间,法拉第也曾做过多次电磁实验,可都由于繁琐的行政事物让他不能全身心投入,可辞去了行政职务还不够,他还有无数的「生意上的事物」,这些「生意上的事物」的收入远远超过了他在皇家学会的薪水,可是这些「生意上的事物」也在消耗他的精力,法拉第决定连这些也要舍去。

法拉第的执着感动了皇家学会,他的申请很快就得到了批准。

现在他和当年那个少年一样孑然一身,但现在他也和当年那个少年一样满腔热忱地投入了实验——

法拉第用软铁做了一个圆环。

他在铁环的左半边用了根铜线绕成 3 个线圈,每个线圈都有好几层,每层之间用绝缘的麻布隔开,三个线圈可以连成一个大线圈,同时也可以相互分开当做三个小线圈用。

这是法拉第在安培那里学到的技巧。

这十年间,虽然繁多的工作占据了他大部分的精力,但法拉第从来没有放弃过他的理想,而是用尽一切额外的时间去汲取需要的知识。

接着,他将铁环的右半边用两根铜线绕成两个线圈,和左边不同的是,在两个线圈之间留了一点空隙,这样两个线圈就不会连通。

铁圈绕好之后,法拉第又用一根铜线把这两个线圈的两端连接起来,然后在铜线下面摆了一个磁针,只要有电流通过,小磁针就会发生偏转,这就是奥斯特实验的结果,这也是我们今天电流计的原理。 

要想让小磁针偏转的更明显,可以减小小磁针的摩擦力或者增大电流强度,对于减小摩擦力法拉第想不出什么太好的办法了,他只能增大电流强度。

为了增大电流强度,法拉第把 10 组电池连在了一起,他把左半边一个线圈的两端和电池组连接,法拉第小心翼翼地接通了左边线圈的电源,他转头去看右边铜线下面的电流计,小磁针却一动不动。

莫非是线圈有问题,法拉第换了一个线圈,重复了刚才的实验,可电流计上的小磁针还是一动不动。

难道是小磁针受到的冲击不够大?是不是还需要继续增大电流?法拉第还有一个办法,就是增加线圈。

法拉第把左边三个相互绝缘的线圈,并联成一个线圈进行实验可是小磁针还是一动不动。

莫非十年的光阴就得来这么一个结果,法拉第不甘心地检验了实验的每一个步骤,他发现了一个问题,他每次都是接通电源后才去看小磁针,那么要是同时呢?结果会怎么样?

法拉第把小磁针摆在了电池开关一旁,他要看看到底会是什么结果,在接通电源的时候,法拉第目不转睛地盯着小磁针,就在电源接通的一瞬间,小磁针动了。

这一天是 1831 年 8 月 29 日。

在奥斯特让小磁针跳动之后十一年,在法拉第转动通电导线后十年,人类终于让磁生了电。

但是这只是一个新的起点,法拉第的线圈可不是发电机,只是从电流变出了电流,说到底只是个变压器,这还不是法拉第的目的。

10 月 17 日,法拉第改进了自己的实验。

这次的实验他把只用了一套线圈和一根磁棒,当他把磁棒插入线圈的时候,电流计并没有反应,这到底是怎么回事?按理说不应该出现这种现象,法拉第猛地把磁铁插进了线圈,电流计指针动了,他又抽出了磁铁,指针又动了,不过方向是反的。

这就是法拉第电磁感应实验。

其实,在法拉第电磁感应实验之前的 1925 年,瑞士科学家科拉顿已经做过类似实验,足足比法拉第早了六年。只不过,科拉顿的实验失败了。

当时为了不让电流计中的小磁针受到磁铁的影响,科林顿把线圈和磁铁放到了一个房间里,而把电流计放到了隔壁。

所以当科拉顿把磁铁插入线圈,再跑到隔壁的时候,电流计已经归零了。

看起来法拉第好像是捡了个漏,但其实法拉第是第一个感觉到了这可能是一个瞬时现象的人,就跟奥斯特实验一样,不过我们更愿意相信这是冥冥之中上天对法拉第的眷顾。

要是法拉第到此为止,那么这就是当年奥斯特实验的翻版,只会在科学史上留下一个著名的实验和一个未解之谜,可是法拉第等这一天已经等了十年,他当然不会到此为止。

经过思考,法拉第明白了磁转换成电的关键所在,这个关键就是运动,运动的磁产生了电,而且运动的越快电流也就越大,不单单是磁铁的运动可以产生电,线圈相对于磁铁运动同样可以产生电流,这就是法拉第电磁感应定律。

想清楚了电磁感应的道理,发电机对于法拉第来说就很简单了,因为只要磁铁和线圈一直相对运动下去,那么就会有持续的电流了,这就是发电机了。

10 月 28 日,法拉第用圆盘取代了线圈,发电机诞生了,历史翻开了新的一页,人类进入了电气时代。

6.

完成电磁感应实验之后,法拉第的声望如日中天,他开始成为社交界的宠儿,英国王室也打算给他颁发爵士称号,不过他都拒绝了,因为法拉第知道,他的工作还没有完全完成,他要是接受了这些,他就会活成他最讨厌的人的样子,屠龙少年也就变成了新的恶龙。

他已经以一己之力改变了历史,他还要用剩下的时间去改变未来。

法拉第并不是牛顿爱因斯坦那样的天才,他就象一只闯入物理花园的蜜蜂,精心照料着每一朵鲜花,然后用自己的辛劳去酿造最甜美的蜂蜜,而蜜蜂的蜂蜜本来就是要分享的。

法拉第提出了「场」的概念,这是法拉第酿造的最甜美的蜂蜜,单单凭这个概念,他就足以站在人类之巅,可是他写不出描绘「场」的数学方程,他需要一个继承者来延续他伟大的思想。

少年麦克斯韦走进了他的视野。

1860 年,曾经的屠龙少年和新的屠龙少年终于见面了。

两人的会面堪称一段佳话,虽然法拉第一生饱受老师和同行的打击,但是他对这个年轻人却毫无保留,把自己的想法全盘托出,而麦克斯韦也对这位温厚长者报以极大的尊重,认真听取教诲。 

两人的会面成就了一段传奇,这个传奇就是号称最美方程的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组固然是麦克斯韦天才的火花,又何尝不是法拉第道德的结晶?

后来,麦克斯韦建立了卡文迪许实验室,这个实验室被称为「诺贝尔奖的摇篮」,汤姆孙、卢瑟福、玻尔这些光耀科学史的名字都来自于卡文迪许实验室,在这里没有了同事尔虞我诈,只有师徒携手共进,笼罩在科学上空的阴云被法拉第荡涤一空。

还记得法拉第神往的科学讲座吗?为了让人们更多接触科学,在担任皇家研究所实验室主任后,他就发起了星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座,要知道别人的演讲是收门票的,他的演讲可是免费的,这个免费的活动他坚持了十九年之久。

爱因斯坦曾经说过:第一流人物对于时代和历史进程的意义,在道德品质方面,也许比单纯的才智方面还要大。这句话是对居里夫人说的,可用在法拉第身上也是恰如其分的。

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