法拉第是科學史中最讓人崇拜和尊敬的人物之壹,不同於他的同事們,他既沒有受過什麽教育,也沒有閑暇時間。作為英國壹位鐵匠十個孩子中的壹個,除了去學校學會讀書寫字,法拉第從來就沒敢奢望進大學。12歲時,他就開始自己謀生,學校生涯就此結束。但是有些人往往有強烈的好奇心,他們不可法拉第遏止地要探尋這樣壹些問題,諸如:世界是什麽組成的,或者為什麽人們以這種方式行事,或者是什麽使事物運轉。法拉第就是這樣壹位具有不倦好奇心的人物。他還交了壹點好運:找到壹份在裝訂廠裏當學徒的工作,就在他為書籍裝訂封面的同時,還貪婪地閱讀書中的文字。他讀了《大英百科全書》(Encyclopaedia Britannica)中關於電的文章和拉瓦錫的《化學基礎論》。他還讀了(並裝訂了)簡·馬舍特(Jane Marcet,1769—1858)的《化學談話》(Conversations on Chemistry),這本書在19世紀初是壹本廣泛流傳的通俗讀物。
隨後另壹個好運降臨法拉第生活。壹位顧客送給法拉第幾張票,是皇家研究所戴維的四次演講票。法拉第極為高興,對那四次講座的全部內容都作了詳細記錄,他把這些記錄裝訂好後送給戴維,並附上壹封希望在研究所當助手的申請書。幾個月後,戴維果然給法拉第提供了這份工作。戴維的壹個同事說,“讓他洗瓶子吧,如果他確實不錯,他會接受這份工作;如果他拒絕,那他什麽事情也幹不成。”這壹工作的薪金比法拉第訂書的工資要少,但這個機會他正求之不得呢。
不久,戴維在1813年訪問歐洲,隨身帶上法拉第作為秘書和科學助手。盡管戴維的夫人把法拉第當做仆人,但這位年輕人從無怨言,而是利用這個機會見到了科學界的關鍵人物,其中包括伏打、安培(André-Marie Ampère,1775—1836)、蓋呂薩克(Josep Louis GayLussac,1778—1850)、阿拉哥(Arago,1786—1853)、洪堡(Alexander von Humbokit,1769—1859)和居維葉。他們在歐洲各地旅行,從壹個實驗室到另壹個實驗室,完成各種實驗,參加各種演講,在這個過程中,法拉第接受了他從未有過的教育。
1815年,他們返回英國,法拉第正式成為實驗室助理,負責皇家研究所的礦物收藏和儀器主管。他成了戴維在實驗室裏的得力助手,因為他靈巧、內行並且投入,經常從早上9點壹直工作到晚上11點。幾個月後,他的工資增加為年薪100英鎊,這壹年薪壹直保持到1853年。
當法拉第讀到奧斯特1820年做的實驗後,他和科學界其他人壹樣,感到非常興奮。奧斯特的磁針顯示,電流不是像大家想的那樣,沿著直線從導線的壹端流向另壹端,而是圍繞著導線。巴黎的安培證實了這壹思想,他證明,如果兩根載流導線平行放置,其中壹根處於可隨意運動的狀態,當兩根導線電流方向壹致時,它們互相吸引;如果電流方向相反,則互相排斥。
法拉第自己動手做了壹個簡單的實驗。1821年9月,他演示了“電磁旋轉”,讓載流導線圍繞著壹塊固定的磁鐵旋轉,同時又讓磁鐵圍繞壹根固定的載流導線旋轉。這是第壹個原始的電動機。
遺憾的是,戴維因此而對法拉第生氣了,他聲稱法拉第竊聽了戴維與沃拉斯頓(William Hyde WoUaston,1766—1828)的談話,因為談話中涉及類似的實驗。法拉第承認他也許受到談話的啟示,但是他的裝置有實質上的不同,沃拉斯頓和歷史也都承認這壹點。
無論如何,這也許是法拉第最不足道的發現,他正在醞釀更大的發現。1822年,法拉第在他的筆記本中寫道:“把磁轉變為電。”奧斯特用電產生磁(磁針反映了磁力),為什麽逆過程不可能發生呢?
法拉第從安培和另壹位物理學家斯圖根(William Sturgeon,1783—1850)提出的設想開始著手。他先是準備壹個鐵環,鐵環的壹部分用線圈纏繞,合上電鍵即可引入電流。鐵環的另壹部分也纏繞線圈,然後連接到電流計。他想第壹個線圈的電流也許會在第二個線圈中引起電流。電流計可以測量第二個電流並顯示結果。
這壹想法真的成功了——這正是第壹個變壓器——但是結果讓人有點吃驚。盡管在鐵環中有穩定的磁力,但在第二個線圈中卻沒有穩定的電流通過。取而代之的是,僅當法拉第閉合線路時,第二個線圈才會出現瞬時電流——電流計跳了壹下。然後當他再次切斷線路時,又產生了瞬時電流,標誌是電流計又跳了壹下。
由於法拉第不懂數學,他只能形象地解釋這壹現象,並且提出磁力線這壹概念。他註意到,如果在紙片上撒有鐵屑,上面放壹塊強磁鐵,輕輕敲擊,鐵屑就會沿著他所謂的磁力線呈現出某種模式。他想象電流形成某種磁場,從源頭向所有方向輻射。當他在實驗中合上線路時,力線輻射出去,而第二個線圈則切割了這些力線。這時,第二個線圈裏就有感應電流。當他斷開線路時,力線“收縮”,第二個線圈又切割了力線,從而再次生成感應電流。他還研究了條形磁鐵的力線、像地球壹樣的球形磁鐵的力線和載流導線的力線。這是自從伽利略和牛頓提出機械論宇宙以來,第壹次以壹種更富創造力的新眼光來看待宇宙,這就是場理論的出現。
1831年,法拉第在皇家研究所的壹次大型普及講座中,用另壹種方法演示了力線。他拿起壹個線圈,把磁鐵插入線圈中。與線圈相連的電流計指針開始晃動,當磁鐵的運動停止時,晃動也停止。當他把磁鐵取出時,電流計又有顯示。磁鐵在線圈裏面運動,也有顯示。如果把線圈移過磁鐵,電流計也會顯示。但是如果磁鐵在線圈中靜止不動,電流計就沒有電流。法拉第發現了電磁感應原理。也就是說,他發現通過機械運動與磁的結合可以產生電流。這就是發電機的基本原理。[另壹位物理學家,美國的亨利(Joseph Henry,1797—1878)也精彩地演示了這壹相同的思想,但是他沒有及時發表。於是,壹心專註於工作的法拉第獲得了發現權的榮譽,對此亨利欣然接受]
當然,法拉第下壹步的目標就是建造壹臺能夠產生連續電流的發電機,而不是實驗中那種斷斷續續的感應電流。為此他做好壹只銅盤,使其邊緣在永久磁鐵兩極間通過。當銅盤轉動時,會產生電流,引出電流就可派上用場。通過水輪或蒸汽機推動輪盤轉動,流水的動能或者燃料燃燒後的能量就轉變成了電能。今天的發電機與法拉第的原始裝置已經大不壹樣,經過50多年的改進它才投入實際應用,但它無疑是迄今最重要的電學發現。
從孩提時代起,法拉第就對自然力和自然現象的相互聯系與統壹性有深刻的信念,他承認,他在1844年發表的場理論和他對磁、電和運動的相互聯系性的探討,都是圍繞這壹信念而展開的工作。1845年11月5日,他在皇家學會宣讀的論文《論光的磁化和磁力線的啟示》壹開頭寫道:
“我長期持有這壹觀點,幾乎就是壹種信念,就和許多自然知識愛好者壹樣:我相信,物質的作用力雖然形式不同,卻有***同的淵源;或者,換句話說,它們是如此直接聯系和相互依賴,以至於它們都是相互可轉化的,並在其作用中擁有同等的能力。”
起初,沒有多少人重視法拉第的場理論,但是法拉第對自然統壹性的信念被焦耳、湯姆生、亥姆霍茲、克勞修斯和麥克斯韋以多種方式在以後幾十年的工作中得到證實。
與此同時,法拉第和戴維之間的關系繼續惡化。隨著時間流逝,戴維不得不承認法拉第正在超過自己,於是他開始變得忌妒和懷恨。當法拉第的名字報到皇家學會,準備被接納為會員時,戴維表示反對。盡管戴維壹個人投了反對票,法拉第還是在1824年當選為皇家學會會員。1825年,法拉第成了實驗室主任,1833年擔任皇家研究所化學教授。法拉第是壹位溫文爾雅、忠於職守的人,他寧可把時間花在實驗室裏,或在家裏陪伴妻子巴拉德(Sarah Barnard),對戴維的行為從不回擊。他還有很多的事情要做。丁鐸爾(John Tyndall,1820—1893),作為法拉第在皇家研究所的繼承人,曾這樣形容法拉第:他“是壹個容易激動、生性火爆的人,但是經過高度自律,他已經把這種火爆轉變成了生命中的閃光和動力,而不是讓其耗費在無謂的激動中”。
對於偉大的實驗家法拉第,我們深懷敬意,正如英國物理學家盧瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937)在1931年所說:
“回顧過去,我們越是研究法拉第的工作,就越是感受到作為壹個實驗家和自然哲學家,他所具有的那種無與倫比的才能。當我們考慮他的發現和這些發現對科學和工業進步的影響時,實在找不到相稱的榮譽來紀念法拉第——這位所有時期裏最偉大的發現者之壹。”