用线描述场——法拉第智慧的结晶

何花

学习了电场后知道，我们知道电场是看不见、摸不着的一种客观存在的物质。然而电场线却能够形象化地把电场呈现在我们的眼前，让我们能够得心应手地处理电磁场中形形色色的问题。到底谁会有如此的智慧？这当然要归功于伟大的英国科学家迈克尔·法拉第（Michael Faraday）。

1791年9月22日，法拉第出生在萨里郡纽因顿一个贫苦的铁匠家庭里。5岁时随父母到伦敦，在一所普通的日校读书。13岁时法拉第在书店中当学徒，起初送报，后学装订，空余时间自学化学和电学，并动手做实验，验证书上的内容。他在装订《不列颠百科全书》时，偶然看到了“电学”这个条目，更加激发了他对科学的热情。年轻的法拉第为两种新力量的神秘性质被揭开而带来的巨大突破而着迷。这两种新力量是：电和磁。法拉第贪婪地尽一切所能来学习与这些问题相关的知识。1810年2月至次年9月，法拉第听了J·塔特姆所做的十几次自然哲学讲演，并开始参加市哲学学会的学习活动，受到了自然科学的基础教育。1812年2月至4月，他又在皇家研究所听了H·戴维的4次讲座，每次他都细心笔录，整理成稿，四次的书稿竟有三四百页，用“H·戴维爵士讲演录”作封面。同年10月他写信給戴维，表达献身科学事业的决心，并随信附上自己记录、装订的《H·戴维爵士讲演录》。1813年3月，经戴维介绍进皇家研究所任实验室助手。同年10月，随戴维去欧洲大陆作科学考察旅行。1815年5月回到皇家研究所，在戴维指导下从事化学研究。戴维广博、深邃的知识，给法拉第以最重要的影响。年复一年，法拉第已经成为实验圈子里冉冉上升的新星，最终使戴维教授的名声黯然失色。1829年，戴维去世后，法拉第得以自由地做出一系列惊人的突破，包括发电机的发明。发电机能够为整个城市提供能源，并改变了世界文明的进程。

法拉第最伟大发现的关键是他提出的“力场法拉第从大量的电磁实验研究中提出了描绘电磁作用的“力线”思想。他认为带电体和磁体周围存在着某种特殊的状态，他用力线来描述这种状态。他认为：力线是物质的，充满了整个空间，力线密的地方场就强，力线疏的地方场就弱，这些力线像拉紧的橡皮筋，有纵向收缩、横向扩张的趋势。力线把异种电荷和异种磁极联系起来，力线的源不变，则力线的分布不变，力线的源变化则力线的图案变化。他做过这样的实验：取一张白卡纸，撒上铁粉，纸下放一磁极，轻轻敲打卡纸，铁屑会清楚连成规则的曲线，从而说明空间确实存在力线，只是平时看不到，现在用铁屑模拟出来了。法拉第通过力线图象，使许多电磁现象的定性解释变得十分简单、直观和形象。法拉第认为，力线具有重要的地位，力线是认识电磁现象必不可少的部分，它甚至比产生或汇集力线的源更具有研究价值。基于力线的思想，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。”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。在法拉第看来，“空的空间”其实根本不是空的，而是充斥着能使遥远的物体移动的力线。由于法拉第早年穷困，未能接受足够的数学教育，因此他的笔记本中密密麻麻的不是等式，而是这些力线的手绘图表。具有讽刺意味的是，数学训练的不足使他创造了如今任何物理课本中都可以看到的、美丽的力线图表。从科学上来说，物理图象通常比用来对其进行描述的数学语言更为重要。

当时法拉第的力场曾经被视为毫无用处，是无所事事的随意涂鸦。但法拉第有一个坚定信念——自然界的各种力相互有关。今天，我们阅读这一页所依赖的光线或许就是由法拉第关于电磁学的发现而点亮的。一块转动的磁铁会制造力场，推动一根电线中的电子，使它们以电流的形式移动，其后，这股电线中的电力可以点亮一盏灯泡。与此同样的原理被用于生产出给全世界城市提供能量的电力。比如，水流过一个大坝，在一个涡轮机中产生巨大的磁力进行转动，这个涡轮机随后再推动电线中的电子，形成一股电流，通过高压电线输送到用户。换言之，迈克尔·法拉第的力场是驱动现代文明的动力，从电动推土机到如今的计算机、互联网都源于力场的发现。

法拉第还有很多发现，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，他的力场在一个半世纪里成为物理学家的灵感之源。麦克斯韦对法拉第的力线思想进行定量的数学描述，建立了电磁场理论。这些力场也给爱因斯坦极大的启示，他用力场的语言来描述和表达他的引力理论。在物理学界，如果有人说“你思考起来像一根力线”，那便意味着一种高度的赞美。

坚定的信念，执着的追求，顽强的毅力，终于使法拉第获得成功。endprint