法拉第的《电学的实验研究》

法拉第的《电学的实验研究》

英国科学家米歇尔·法拉第的《电学的实验研究》[1]和一般的科学专著或论文不一样，它不是结构严谨、计划周详的一篇文章，而是对于作者在电学领域当中所进行的、探索性和开创性的一系列研究的报道。在当时，它们就是来自科研第一线的战报，随时向全世界的物理学家通报研究的进展；在一百多年以后的今天，它们又成了一本极好的教科书——不是教我们知道电学当中有“什么”发现（因为那些工作随着时间的推移和科学的发展，毕竟已经成了电学中最基本的、人所共知的内容了）；而是教我们“怎么”去发现，给我们展示了人从不知到知，从错误走向正确的过程。这个过程或许可以被称为“探索”过程，而探索正是科学研究活动的本质。

法拉第1791年生在英国伦敦附近，他是一个铁匠的儿子，所受的教育不多。从小就做学徒，干过很多种职业，最后在一家书籍装订社做工人。他利用工作之便，阅读了大量顾客送来装订的书籍，给他印象特别深的是《大不列颠百科全书》。他的童年和青年生涯，给他未来的工作积累了广博的知识，又锻炼了他的动手能力，这在他以后的实验工作中，都会表现出来。

当时电学是一个刚刚被揭示的最新的研究领域。1800年前后，伏打发明了电池。它有点像我们现在蓄电池的装置，能为科学研究提供连续不断的电流，在一个短的时间里还有相当稳定的电流强度。于是关于电流，当时称为“动电”的研究繁荣起来。在此以前，由于没有电池，依赖于起电机或莱顿瓶的电学实验基本上只能进行到静电学范围。英国化学家戴维首先研究了电流的化学效应，1807—1809年期间，他接连利用电移法发现了令人吃惊的新元素——周期表左边偏上的那些元素差不多都是他发现的，因此声名大振。稍后1819年，奥斯特发现了电流的磁效应，1820年安培发现了我们大家熟知的安培定理，1826年欧姆发现了部分电路的欧姆定律，差不多同时，施魏格发明了电流计，人类对于电流的知识以前所未有的速度增长了。

法拉第对电学的研究一直怀有强烈的兴趣。1813年前后，他写信给大名鼎鼎的戴维，表达了自己对科学研究的向往，不久被戴维接纳为助手。在辅助戴维工作的将近十年时间里，法拉第又受到了这位大师的提拔，科学能力渐渐成熟了。1924年当选为皇家科学会的会员。

《电学的实验研究》中最著名的工作是感生电流的发现。法拉第熟悉奥斯特关于“电生磁”的工作。根据奥斯特的实验，我们看到，电流能在它通过的导体周围产生磁作用，并且可以感应磁针，通过磁针的运动，我们可以感知这一磁作用的存在。法拉第最初推想，奥斯特效应的逆效应，磁作用影响电流，也应该是存在的。1824年，他根据这个想法设计了实验，企图在靠近磁体的导体中探测电流，但实验没有显示这种电流的存在。1825年，他用一根通有稳恒电流的导线和另一根与电流测量装置相连接的导线做成一个平行线框，但仍旧没有发现后一根导线中有电流。他变换了很多实验装置，但始终没有探测到在他想象之中一定会有的电流。稍后他又用螺线管作为磁源，用另一螺线管作为感受器做实验，仍旧没有成功。他又想到是不是可能要用不同的材料才能产生彼此的“感应”，就设计了由铁和铜不同的材料制作的螺线管，但是“电流计上总看不出对另一螺线管的效应”。是不是电池感力不够大呢？他把电池与炭棒连接，强大的电流通过炭棒，使炭棒产生了耀眼的白光。这说明电池组是强有力的。他把电池组加大到大约180伏电压时，仍旧没有“任何效应”。这种艰苦的探索持续了七年，一直到1831年9月间，当他用一只软铁环作为导磁材料，在环上两边分别缠上两组线圈，这时他发现在开通和切断一边线圈时，与之相应的另一边线圈中出现一种振荡，但他似乎没有马上领会这一现象的意义。用他自己的话说，“它们可能是杂草而不是鱼。”但是，另一方面，他把钢针插入装置，在一通一断以后，又发现了钢针确已磁化，这个事实有力地说明在次级线圈中确有效应产生。1831年10月1日，法拉第最终确认了感生电流——奥斯特效应的逆效应。这时，距他最初的猜想已经是不知经过多少次实验了。稍后，他搞清楚了这个效应的全部细节，尤其是关于“磁生电”中必要的关键环节，“变化的”电流或“运动的”次级线圈，至此，后来被称为“法拉第感应定律”的重要的电学定理被完全确立了。

所有的猜测、分析，希望和失望都记录在这本《电学的实验研究》里。法拉第在这本书里，不是手拿书本教导世界的先知，而是一个顽强的自然探索者，他巧妙又坚持不懈地盘问自然，渐渐地，隐秘的事物清晰起来。像电磁感应这样重要的发现，《电学的实验研究》里详尽地记录了近10项；至于稍次要一些的发现，更是俯拾即是。如果你认真学习过中学的物理学课程，你一定想知道，所有这些伟大的发明和发现，是怎么做出来的，那么，《电学的实验研究》就是一本关于“怎么做”的教科书。(https://www.daowen.com)

在法拉第的时代，电学还是一门“纯科学”，只有在实验室里工作的人才会同它打交道。在一次为公众举办的电学讲座上，据说有人问法拉第，所有的这些电学知识有什么用处。而法拉第的回答据说也是一个问题：“新生的婴孩有什么用处？”科学的伟大力量，常常不是一下子可以显现出来的。《电学的实验研究》是一本“纯科学”著作，但是它的力量之巨大，在一百多年以后的今天，几乎是不言而喻的了。单说“磁生电”的感应定律这一条就可以明白。这是几乎任何类型的动力电流产生的源泉——没有电，我们的世界还可以想象吗？

法拉第一生获得过近百个荣誉称号，以一个学徒一直当到皇家学会的会长；完成了几百项发现和发明，受到了世界各国科学家和人民的尊敬，但他始终是一个诚恳、谦和的人。在他去世前几年，他曾专门为少年儿童作科普讲演。他以渊博的知识，生动的实验，把高深的科学理论讲得通俗易懂，深受广大听众的欢迎。他的不少通俗演讲，后来都成了科学名篇。在题为《蜡烛的故事》的一次讲演中，他以这样热忱的语言表达了他对青年一代的期望：“在结束这次讲演的时候，我诚恳地希望大家，希望你们年轻的一代，也能像蜡烛为人类照明那样，有一分热，发一分光，忠诚而踏实地为人类的伟大事业贡献自己的力量。”1867年，法拉第在工作室里安然去世。据我所知，没有专门为法拉第建造的纪念碑。对于法拉第来说，这样的纪念碑是不必要的，因为《电学的实验研究》本身就是人类理解力的一座丰碑，为人类的伟大事业贡献自己力量的人一直在从中汲取智慧和力量。

原载《名著集》，科学普及出版社1987年版