1791年9月22日,英國薩里郡紐因頓鎮(zhèn),一個名叫詹姆斯·法拉第的窮鐵匠,迎來了他第三個孩子的降生。
沒錯,這個孩子,就是后來被稱為“交流電之父”的英國著名物理學家、化學家邁克爾·法拉第(Michael Faraday)。
法拉第的家庭條件非常差。全家的生計,都依靠他父親打鐵維持。
1796年,也就是法拉第5歲的時候,全家從紐因頓鎮(zhèn)搬到倫敦定居,租住在曼徹斯特廣場附近的一個馬車庫房里。
雖然家境貧寒,法拉第的父親仍堅持讓法拉第和他哥哥去上小學,并告誡他們要勤勞樸實,做一個正直的人,不要貪圖名利。來自父親的教誨,對法拉第后來的人生造成了深遠的影響。
幾年后,法拉第的父親積勞成疾,不幸病倒。無奈之下,全家人只好靠領取救濟度日。法拉第的小學學業(yè)也被迫終止(僅僅持續(xù)了兩年)。
1803年,12歲的法拉第為了生計,開始走上街頭賣報。第二年,他來到布蘭福德街的一家書店,成為一名書店學徒,學習裝訂手藝。
小法拉第做事很勤快,頭腦也很靈活,很快贏得了書店老板里波先生的信任和喜愛。
工作之余,法拉第主動閱讀了書店里大量的書籍。其中,既包括《哈姆雷特》、《李爾王》這樣的莎士比亞經(jīng)典文學,也包括《大英百科全書》、《化學漫談》這樣的科學名著。
年輕的法拉第求知若渴,被書中的知識深深吸引。他非常想親身實踐書里記錄的實驗過程。然而,作為一名窮學徒,他沒有錢去購買實驗設備。于是,他只能利用廢舊物品,做一些簡單的物理和化學實驗。
1810年,在哥哥的資助下,法拉第有幸參加了學者塔特姆領導的青年科學組織——倫敦城哲學會。通過哲學會的參加一系列活動,他初步掌握了物理、化學、天文、地質、氣象等方面的基礎知識,為后來的研究工作打下了良好的基礎。
這期間,法拉第連續(xù)參加了塔特姆十幾次關于自然哲學的通俗演講。每次演講結束后,法拉第都會重新謄抄筆記,并畫下儀器設備圖。他甚至把筆記裝訂成一本漂亮講究的《塔特姆自然哲學講演錄》,送給了里波先生,令對方欣喜萬分。
法拉第的勤奮好學還感動了書店的一位顧客,他就是英國皇家學院的當斯先生。作為鼓勵,當斯先生把4張皇家學院漢弗萊·戴維教授科學講座的入場券贈送給了法拉第。
漢弗萊·戴維(Humphry Davy)是一個偉大的科學家,23歲就成為了皇家學院的化學教授,33歲成了皇家學院的靈魂人物。
漢弗萊·戴維(1778年~1829年)
1812年2月,20歲的法拉第連續(xù)聽了戴維教授的四場講座,被精彩的講座內容所震撼,加深了對科學研究工作的熱愛,立志投身其中。
于是,他寫信給當時的英國皇家學會會長約瑟?!ぐ嗫怂?/strong>(J.Banks)爵士,希望能獲得一份皇家學會的工作,哪怕在實驗室里洗瓶子也行。
結果,心神不寧的法拉第等了整整一個星期,卻沒有任何回復。他忍不住跑到皇家學院去打聽,得到的回音只是冷冰冰的一句話:“班克斯爵士說,你的信不必回復!”。
換做是別人,受到這樣的屈辱肯定放棄了。但是執(zhí)拗的法拉第并沒有放棄。
不久后,他再次鼓起勇氣,寫了第二封信。這次,他直接寫信給漢弗萊·戴維,并附上了自己精心整理和裝訂的《亨·戴維爵士演講錄》。
收到書信的漢弗萊·戴維深感震驚——他沒有料到,自己總共才4個多小時的演講,法拉第竟然記下了386頁的筆記!所有內容一字不落,沒細講的也都被補充完整。
當天晚上,漢弗萊·戴維就給法拉第回信,毫不吝嗇地表達了自己的欽佩之情——“先生,我愿是你的順從、謙恭的仆人。我很樂意為你效勞,我希望這是我力所能及的事?!?
作為一名社會公認的大學者,漢弗萊·戴維能寫出這樣的文字,而且是寫給一個無名小學徒,簡直無法想象。
1813年3月,22歲的法拉第終于進入皇家學院,成為一名助理實驗員,同時也是漢弗萊·戴維的助手。
對法拉第來說,科學研究的生涯算是正式開始了。
年輕時的法拉第
不久后,漢弗萊·戴維啟程到歐洲大陸國家考察,法拉第作為他的助手,陪同前往。
盡管他實際上是助手,但公開身份卻只是仆人。法拉第并沒有計較這些,也毫不自卑,在他眼里,這次考察是一次寶貴的學習機會,能學到東西就行。
事如人愿,通過這次考察,他見到了許多著名的科學家,參加了各種學術交流活動,大大開闊了眼界。聰明勤奮的他,還學會了法語和意大利語。
1815年5月,法拉第回到英國,開始在漢弗萊·戴維的指導下,做一些獨立的研究工作。很快,他就取得了幾項化學研究成果。1816年,法拉第發(fā)表了第一篇科學論文。
1820年,一件改變法拉第以及整個人類命運的事件發(fā)生了。
這一年,丹麥物理學家漢斯·克海斯提安·奧斯特在一次講座上偶然發(fā)現(xiàn),當他讓導線通電時,旁邊的小磁針會發(fā)生偏轉。
隨后,奧斯特針對這一現(xiàn)象進行了三個月的反復實驗,最后通過名為《論磁針的電流撞擊實驗》的論文,正式向學術界宣告發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應。
這一發(fā)現(xiàn)轟動了整個物理學界。幾個月后,畢奧和薩伐爾在大佬拉普拉斯的幫助下,找到了電流在空間中產(chǎn)生磁場大小的定量規(guī)律,這就是著名的畢奧-薩伐爾定律。有了畢奧-薩伐爾定律,就可以算出任意電流在空間中產(chǎn)生磁場的大小,但是這種方法在實際使用的時候會比較繁瑣。
又過了兩個月,安培發(fā)現(xiàn)了一個更實用更簡單的計算電流周圍磁場的方式,這就是安培環(huán)路定理。順便,安培還總結了一個很實用的規(guī)律來幫助判斷電流產(chǎn)生磁場的方向,這就是安培定則(也就是高中學的右手螺旋定則)。
奧斯特的發(fā)現(xiàn),同樣吸引了漢弗萊·戴維和威廉·沃拉斯頓的關注。
威廉.沃拉斯頓(W.Wollaston),是漢弗萊·戴戴維的同事兼好友,也是一位舉足輕重的化學家,元素鈀和銠的發(fā)現(xiàn)者。
威廉.沃拉斯頓(1766年~1828年)
戴維和沃拉斯頓開始進行電和磁的研究,但并沒有取得什么進展。
1821年,英國《哲學年鑒》的主編邀請戴維撰寫一篇文章,評述奧斯特之后的電磁學實驗理論的發(fā)展概況。戴維把這一工作交給了法拉第。
法拉第在收集資料的過程中,對電磁現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的熱情,并開始轉向電磁學的研究。
他認真地分析了奧斯特的實驗,經(jīng)過反復試驗和思考,取得了一些研究成果。
當時,法拉第打算將成果告訴戴維和沃拉斯頓,但是兩人碰巧都不在。法拉第的朋友勸他盡快發(fā)表成果,以免被安培等人搶先公布。于是,法拉第聽從了建議。
沒想到,法拉第的成果發(fā)布之后,不但沒有受到贊賞,反而遭到了指責。很多人認為法拉第剽竊了沃拉斯頓的研究成果。
法拉第請求沃拉斯頓幫助自己進行澄清。沃拉斯頓坦率地承認,他是在從事電和磁的工作,但是從不同的角度,因此,法拉第并不能從他那里借用什么。
法拉第還請求自己的恩師戴維幫助自己澄清。然而,戴維并沒有這么做,他選擇了沉默。
究其原因,還是因為嫉妒。法拉第的成就,超過了戴維,戴維內心深處無法接受這樣的現(xiàn)實,所以開始打壓法拉第。
除了不幫助法拉第進行澄清之外,戴維還干預了法拉第的電磁學研究。1825年,戴維指派法拉第去研究一個和電、磁都無關的新項目——光學玻璃的制法。
此實驗歷時多年,沒有任何顯著進展,純粹是在浪費法拉第的時間。
法拉第的朋友們?yōu)榉ɡ诘脑庥龈械綒鈶?,于是,?lián)絡了29位皇家學會會員,聯(lián)名提議法拉第當皇家學會會員候選人。沃拉期頓帶頭簽了名。
戴維聽到這個消息之后,勃然大怒。他怒氣沖沖地跑到皇家學院實驗室,命令法拉第放棄資格。法拉第強壓住憤怒,冷冷地說:“漢弗里爵士,我既沒有提名自己當皇家學會會員候選人也沒有呈交什么證書,我有什么可撤回的呢?”
后來,為了阻止法拉第成為會員,戴維一再拖延投票,并在最終投票時,投下了全場唯一一張反對票。然而,孤家寡人的戴維沒有能夠阻止法拉第成功當選皇家學會會員。
1829年,戴維去世,法拉第終于停止了光學玻璃的實驗,開始回歸有意義的研究。
在電磁學領域,法拉第可謂如魚得水?;貧w第二年,他就發(fā)現(xiàn)了磁生電的關鍵在于相對運動。
1831年,法拉第發(fā)現(xiàn),一個通電線圈的磁力雖然不能在另一個線圈中引起電流,但是當通電線圈的電流剛接通或中斷的時候,另一個線圈中的電流計指針有微小偏轉。
經(jīng)過反復實驗,法拉第證實了當磁作用力發(fā)生變化時,另一個線圈中就有電流產(chǎn)生。他又設計了各種各樣實驗,比如兩個線圈發(fā)生相對運動,磁作用力的變化同樣也能產(chǎn)生電流。
就這樣,法拉第提出了電磁感應定律。
同年10月28日,基于自己的理論研究,法拉第發(fā)明了圓盤發(fā)電機。這是人類第一次發(fā)明發(fā)電機。
圓盤發(fā)電機
發(fā)電機的發(fā)明,具有劃時代的意義,也意味著巨大的專利收益。然而,法拉第從始至終,都沒動過申請專利的念頭,更沒從中獲利哪怕一分錢。
此后的法拉第,進入了科學研究成果的高產(chǎn)期。
1852年,他又引進了磁力線的概念,從而為經(jīng)典電磁學理論的建立奠定了基礎。
盡管法拉第取得了舉世矚目的成就,但他一直都在為無法給出電磁理論精確的數(shù)學方程而耿耿于懷。因為法拉第小時候沒受過正統(tǒng)教育,所以他的數(shù)學能力遠遠沒有實驗能力那么強。
正當法拉第以為自己此生看不到電磁理論被數(shù)學論證的時候,1865年,另一位偉大的科學家麥克斯韋接過他的衣缽,用完美的數(shù)學公式(麥克斯韋方程組)證明了他電磁理論的猜想。
詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(1831年~1879年)
兩年后,1867年,沒有遺憾的邁克爾·法拉第與世長辭,享年76歲。
法拉第離世時,倫敦有人提議停電3天,向他致哀。
縱觀法拉第的一生,他都在和自己的坎坷命運做斗爭。年輕時,他憑借個人的努力,實現(xiàn)了命運的逆襲,成功投入科學事業(yè)。中年時,面對恩師的打壓,他忍辱負重,不怨不艾。
取得成就之后,法拉第并沒有沉迷于名利。他始終牢記父親的教誨,保持謙虛和低調,做一個正直的學者。
1857年,皇家學會學術委員會一致決議聘請他擔任皇家學會會長。對這一榮譽職務,他再三拒絕。他說:“我是一個普通人。如果我接受皇家學會希望加在我身上的榮譽,那么我就不能保證自己的誠實和正直,連一年也保證不了?!?/span>
當英王室準備授予他爵士稱號時,他也多次婉言謝絕。他說:“法拉第出身平民,不想變成貴族”。
這就是邁克爾·法拉第,偉大的電磁感應理論之父!
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