江湖传言欧内斯特·卢瑟福有一句话:“这个世界的自然科学分两类,一类叫物理,另一类叫集邮”。
我没有查到这句话的准确出处,但就意思而言,这句话即便不是卢瑟福说的,也丝毫不影响其精辟。
是的,物理学与其他许多自然科学相比最显著的不同,就是物理学追求的不是“多”而是“少”。
物理学认识世界的方式不是从不同的现象中收集一大堆“原理”和“知识点”(虽然这件事本身也是很有价值的事,也是物理学真正追求目标的前提),而是探寻它们背后隐藏的“相同的”、而且是“最简单”的规律。
对物理而言,苹果从树上落下来,和地球绕着太阳转是一件事!从这个角度反观我们这些年学习的所谓“物理”,我们学的真的是物理吗?我们学习了大量的概念、定理、定律……然而,它们在我们的头脑中好像更多只是“集邮册”中的一张张“邮票”。
那些概念、定理和定律为什么有些显得如此“高深”?有些甚至“反常识”。
那我们为什么还愿意接受这些让人“困惑”的物理呢?当把这些物理概念、定理、定律放回人类认识世界过程的长河中,了解它们是如何萌发,又是如何在“纯粹理性”和“实验事实”相互印证的过程中发展和完善,才能看到物理学的大厦是如何小心翼翼地一砖一瓦建立起来的,看到过程中的每一个“脚手架”,才能理解物理学家如何搞出这么一套“高深”甚至“反常识”的东西。
当了解了大厦的每一块砖瓦的形状、位置和修葺工艺,是如何经历深刻的理性思考和严苛的实验验证,包括在反复的审视检验过程中的返工和重建,才能说服自己接受这套感情上可能并不容易接受的东西。
——陈征(北京交通大学物理国家级实验教学示范中心教师,茅以升北京青年科技奖获得者)撰文 ∣ 马尔科姆·朗盖尔译者 ∣ 向守平、郑久仁、朱栋培、袁业飞法拉第及其力线——没有数学的数学法拉第出生在一个贫困的家庭,父亲是铁匠。
1796年,他和他的家人一起搬迁到伦敦。
开始他是利波先生(Mr. Ribeau)书店的一个学徒装订工。
通过装订和阅读书籍(包括《大英百科全书》)他学到了早期的科学知识。
他特别喜欢阅读泰勒(James Tyler)的电学文章,并用坏瓶子和旧木材制造小静电发生器,重复做了一些电学实验。
1812年,戴维(Humphry Davy)(1770~1845)在皇家学院演讲。
利波先生的一位客户,送给法拉第一张听讲的门票,让他去听讲。
事后,法拉第把他的课堂笔记整理并装订好后送给戴维,表示如果有空缺职位,他可以填补,但接下来没有任何消息。
然而,同年10月,戴维因使用的危险化学品氯化硝酸盐(nitrate of chlorine)发生爆炸而暂时失明,需要有人记录下他的思想。
法拉第被推荐承担这项任务。
随后,1813年3月1日,他得到了一个永久性职位——戴维在皇家学院的助理。
他在那里一直工作到晚年。
在法拉第接受任命之后不久,戴维决定访问欧洲大陆的科学机构,法拉第作为科学助理随行。
接下来的18个月,在巴黎,他们遇到了当时最著名的科学家——安培、洪堡特(Humboldt)、盖-吕萨克(Gray-Lussac)、阿拉戈(Arago)和其他许多人;在意大利,他们遇到了伏特;而在热那亚(Genoa)还观看了电鳐(torpedo)实验,它能电击鱼。
1820年,奥斯特发现电与磁之间的联系,并引来一系列相关的科学活动。
科学期刊收到了许多描述电磁效应和试图解释它们的有关文章,哲学杂志的编辑请法拉第进行评审。
面对这样大规模的实验现象和推断,法拉第开始系统地研究电磁现象。
接着,法拉第重复做了文献报道过的所有实验。
特别是,他研究了小磁铁的磁极在载流导线附近的运动。
安培已经发现,作用在磁极上的力好像是要让它围绕载流导线做圆周运动。
另外,如果磁铁被固定,则载流导线会感受一种力量,让它围绕磁铁做圆周运动。
法拉第用两个漂亮的实验证实了这些现象(图1)。
图1右边所示为第一个实验:磁铁被直立放置在一个水银盘中,一个磁极在水银面的上方。
导线的一端与一个浮在水银面上的小软木塞相连,而另一端则固定在磁铁的一端。
当有电流通过导线时,导线围绕磁铁的轴旋转,和法拉第的预期一样。
图1左边所示为第二个实验:载流导线固定,磁铁围绕导线自由旋转。
这是人们制造的第一个电动机。
图1 显示载流导线和磁铁之间的作用力的法拉第实验:在图的右边,磁铁垂直固定,载流导线绕垂直轴旋转;在图的左边,载流导线垂直固定,磁铁绕导线旋转。
这是人们制造的第一个电动机第一个电动机(英国皇家学会提供)这些实验致使法拉第有了磁力线这一关键性的概念,这是在他观察铁屑围绕磁铁的分布情况(图2)时突然浮现出来的。
磁力线或磁场线磁力线或磁场线,代表把磁极放置在一个磁场中时作用在磁极上的力的方向。
在垂直于磁力线的平面上,通过单位面积的磁力线愈多,作用在磁极上的力愈大。
法拉第非常重视将磁力线作为观测静止磁场效应及时变磁场效应的一个直观手段。
图2 法拉第的条形磁铁的磁力线两个磁极之间的磁力线沿着两极之间的连线,载流导线的环形力线怎么能与此相一致呢?法拉第的照片面临一个难题。
法拉第展示(图3),把载流导线弯曲成一个环路可以模拟磁铁产生的所有效应。
他认为,磁力线在环路内会被压缩,结果是环路的一侧有一个极性,另一侧有相反的极性。
他用实验证明:所有与导线中的电流相关的力都可以按磁力线理解。
磁偶极子与环路电流完全等效磁偶极子与环路电流完全等效是法拉第的深刻见解。
事实上,如附录A5.7所证明的,从这一见解出发,可以导出关于静止磁铁和电流之间的作用力的所有定律。
图3 法拉第说明电流磁场和条形磁铁等价的理由:左侧的长直导线被弯曲成右侧的环路时,磁力线被压入环路内重大的进步发生在1831年。
法拉第坚信自然界的对称性对称性,他推测,既然电流产生磁场,磁场产生电流也必定是可能的。
1831年,他获悉亨利(Joseph Henry)在纽约奥尔巴尼(Albany)做的实验。
在这个实验中,亨利使用了电磁力非常强的电磁铁。
法拉第立即有了观测力线使电磁材料产生应变的想法。
他把绝缘导线缠绕在粗铁环上,从而能在铁环内产生强磁场。
应变效应能用另一个缠绕在环上的线圈探测到,这个绕组与一个电流计连接以测量产生的电流。
法拉第装置的原照片如图4所示。
图4 法拉第首次证明电磁感应的仪器(感谢英国皇家协会)实验在1831年8月29日进行,这在法拉第的实验室笔记本上有精心记载。
结果完全不是法拉第所预期的那样。
当初级绕组闭合的时候,在次级绕组中的电流计的指针有一个偏转——缠绕在铁环介质上的次级电路中有感生电流。
但只在电磁铁内接通或断开电流时观察到电流计的指针有偏转,流过电磁铁的稳定电流对电流计没有作用。
换句话说,作用似乎只与变化的电流有关,因而只与变化的磁场有关。
至此,法拉第发现了电磁感应。
在接下来的几周,随之而来的是,在一系列确切的实验中,电磁感应的性质都成立。
法拉第在改进装置的灵敏度后,还观测到,在电流接通和断开时,在次级电路中所产生的电流是在相反方向流动的。
下一步,他在线圈具有不同形状和大小的实验过程中发现,产生这种效应不需要有铁棒。
1831年10月17日,他进行了一个新的实验:向一个连接有电流计的长线圈(或螺线管)移动圆柱形磁铁时,在线圈中产生了电流。
然后,1831年10月28日,他在伦敦皇家学会做了一个著名的实验,证明在社会上购买的“大马蹄形磁铁”的磁极之间旋转一个铜圆盘时,可以产生持续电流。
铜圆盘的轴和边缘与电流计滑动接触,铜圆盘旋转时,指针偏转。
1831年11月4日,法拉第发现在磁铁两极之间简单移动铜导线时可以产生电流。
这样,在4个月内,他发明了变压器与发电机变压器与发电机。
早在1831年,法拉第依据力线概念创立了定性的电磁感应定律:在电流环路中感生的电动势直接与切割磁力线的速度相关。
补充一句,这些磁力线指的是铁屑描绘的磁力。
他当时意识到,“电”意味着许多不同的东西。
除他刚刚发现的磁电外,还有静电,在远古就已经知道,它可以由摩擦产生。
伏特电与在伏特电堆中的化学效应相关。
在热电中,不同类型的材料接触放置,接触的端点保持在不同温度,会产生电势差。
此外还有动物电,如法拉第和戴维一起旅行时所看到的电鳐(torpedo)和电鳗(electric eels)等鱼类产生的电。
对具有“后见之明”的现在的我们来说,他问了一个可能是显而易见但在当时能说明他具有深刻洞察力的问题:这些不同形式的电是一样的东西吗?1832年,他做了一系列漂亮的实验,结果证明:不管电的