落秋文学

磁电和光（第2页）

当然，法拉第下一步的目标就是建造一台能够产生连续电流的发电机，而不是实验中那种断断续续的感应电流。为此他做好一只铜盘，使其边缘在永久磁铁两极间通过。当铜盘转动时，会产生电流，引出电流就可派上用场。通过水轮或蒸汽机推动轮盘转动，流水的动能或者燃料燃烧后的能量就转变成了电能。今天的发电机与法拉第的原始装置已经大不一样，经过50多年的改进它才投入实际应用，但它无疑是迄今最重要的电学发现。

从孩提时代起，法拉第就对自然力和自然现象的相互联系与统一性有深刻的信念，他承认，他在1844年发表的场理论和他对磁、电和运动的相互联系性的探讨，都是围绕这一信念而展开的工作。1845年11月5日，他在皇家学会宣读的论文《论光的磁化和磁力线的启示》一开头写道：

“我长期持有这一观点，几乎就是一种信念，就和许多自然知识爱好者一样：我相信，物质的作用力虽然形式不同，却有共同的渊源；或者，换句话说，它们是如此直接联系和相互依赖，以至于它们都是相互可转化的，并在其作用中拥有同等的能力。”

起初，没有多少人重视法拉第的场理论，但是法拉第对自然统一性的信念被焦耳、汤姆生、亥姆霍兹、克劳修斯和麦克斯韦以多种方式在以后几十年的工作中得到证实。

与此同时，法拉第和戴维之间的关系继续恶化。随着时间流逝，戴维不得不承认法拉第正在超过自己，于是他开始变得忌妒和怀恨。当法拉第的名字报到皇家学会，准备被接纳为会员时，戴维表示反对。尽管戴维一个人投了反对票，法拉第还是在1824年当选为皇家学会会员。1825年，法拉第成了实验室主任，1833年担任皇家研究所化学教授。法拉第是一位温文尔雅、忠于职守的人，他宁可把时间花在实验室里，或在家里陪伴妻子巴拉德（SarahBarnard），对戴维的行为从不回击。他还有很多的事情要做。丁铎尔（JohnTyndall，1820—1893），作为法拉第在皇家研究所的继承人，曾这样形容法拉第：他“是一个容易激动、生性火爆的人，但是经过高度自律，他已经把这种火爆转变成了生命中的闪光和动力，而不是让其耗费在无谓的激动中”。

对于伟大的实验家法拉第，我们深怀敬意，正如英国物理学家卢瑟福（Erherford，1871—1937）在1931年所说：

“回顾过去，我们越是研究法拉第的工作，就越是感受到作为一个实验家和自然哲学家，他所具有的那种无与伦比的才能。当我们考虑他的发现和这些发现对科学和工业进步的影响时，实在找不到相称的荣誉来纪念法拉第——这位所有时期里最伟大的发现者之一。”

苏格兰的理论家

麦克斯韦1831年出生，正好这一年，法拉第作出了最有影响的发现——电磁感应。儿童时代，麦克斯韦在数学上非常出色，以至于看起来像是有点反常，同学们叫他痴人。15岁时，他向爱丁堡皇家学会递交了一篇论文，论述椭圆曲线的绘制，论文给人的印象是如此深刻，以至于许多会员认为这不可能出自一位如此年轻的少年之手。在麦克斯韦30多岁时，他已经正确地解释了土星光环的概率特性（1857年），并且独立于玻尔兹曼提出了气体的运动理论（1866年）。

但是他始终对法拉第的工作充满兴趣。1855年12月和1856年2月，24岁的麦克斯韦正在剑桥大学三一学院任研究员，他提交了一篇特殊的论文——《法拉第的力线》。接着，在1864年到1873年之间，麦克斯韦又把他的数学天才用于法拉第对电磁力线的猜测上，他试图为此提供必要的理论根据。

在这个过程中，麦克斯韦提出了一系列简单的方程式来描述磁和电的观察事实，并且证明，这两种力无法分离。这一不朽的工作就是电磁理论，证明磁和电不能单独存在。

麦克斯韦为了支持法拉第的场理论，证明了电磁场实际上是由电流的振**造成的。他说，这个场从源头以恒定的速度向外辐射，其速率可以从特定的磁学单位和特定的电学单位之比计算得出，结果大约是186300英里每秒。光就是以186282英里每秒的速率传播的——麦克斯韦想，这一巧合太令人惊奇了，它不是偶然。由此他得出结论，光本身一定与振**着的电荷有关。他的结论是：光就是电磁辐射!他无法证明这一点，但它似乎就是一个有力的预言，这个预言一代以后就得到了证实。

但是麦克斯韦想得更远。他假设，光也许就是以不同速度振**的电荷所引起的辐射。（已经找到证据，其中有许多是我们看不到的：1800年赫歇尔发现了红外线，是肉眼看不到的；1801年，里特尔在光谱的另一端发现了紫外线，也是肉眼无法看到的。）

1873年，麦克斯韦出版了论述电磁学的《电磁通论》（Treatiseoyaism）。这是一部辉煌的巨著，它为法拉第的场观点，尤其是针对电磁现象的见解，补充了数学的精确性和定量的预测。和场一样，他假设以太作为一种媒质弥漫于空间中，电磁波就在这一媒质中传播，这个假设后来被否定了，但是他的方程组并不取决于以太的存在，它们在“经典”物理学的日常世界中一直有效（尽管不适用于爱因斯坦的相对论物理学或量子力学的世界里）。

历史往往有奇怪的巧合，麦克斯韦1879年去世，这一年正好另一位伟大的理论物理学家爱因斯坦出生。如同麦克斯韦的工作对于19世纪的意义，爱因斯坦的工作也主宰了20世纪初直到现在的物理学。麦克斯韦没有活到能看到他的理论被实验证实，但是这种证据已不太远，不到十年，德国就有一位年轻的物理学家在实验室里做了这件工作。

赫兹的电磁波

赫兹（HeinrichRudolfHertz，1857—1894）是亥姆霍兹的学生，1883年开始对麦克斯韦的电磁场方程组发生兴趣。亥姆霍兹建议赫兹尝试应征柏林科学院在电磁学方面的悬赏，这时赫兹正在卡尔斯鲁厄从事教学工作，他决定接受这个建议。1888年，赫兹设计了一个实验——假如光真的是一种电磁辐射，他的实验就可以检测到长波辐射的存在。他还设计了一种测量波的形状的方法，如果它出现的话。

赫兹成功地证明了电磁波的存在，验证了麦克斯韦方程组的正确性。

波出现了，他对波进行了测量。波长是2。2英尺（66厘米）——相当于可见光波长的一百万倍。赫兹还证明了，他测量的波含有电场和磁场，所以有电磁特性。

后来搞清楚，赫兹找到的并不是光波，是无线电波。马可尼（MarcheseGuglielmoMari，1874—1937）在1894年把这种波用于无线通信。［无线电（Radiraphy）的缩略语——无线电报是通过辐射而不是电流发送的电报。］

赫兹成功地证明了电磁波的存在，验证了麦克斯韦方程组的有效性。物理学中又一团大大的困惑有了着落。

纵观19世纪，一个新的模式开始出现在物理学中，这就是先提出一个设想，再通过实验来验证，再由数学理论予以强化。这是一个三重过程，越来越受到科学家的认同，它适合于迈尔和焦耳的热当量工作，法拉第、麦克斯韦和赫兹的电磁学工作，还适合于杨和菲涅耳对光本性的认识。

19世纪最惊人的成就是通过许多人之手——以及法拉第和麦克斯韦的特殊才能——不断理清思路，从而认识到这一伟大的潜在力量——电和磁。法拉第的电动机、变压器和发电机，几乎触及我们生活的每一个方面。而场理论和电磁学这样一些基本观念，其重要性不失为人类研究宇宙特性的历史长河中最有效的见解。