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法拉第的故事

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法拉第是英國著名的物理學家兼化學家。下面由本站小編爲大家精心收集的法拉第的故事,供大家參考與借鑑~

法拉第的故事

1820 年的一天,一封不同尋常的信件從南大西洋上的孤島聖海倫娜(Saint Helena)寄出,來到了坐落於倫敦的英國皇家研究院(Royal Institute)。發信人是一位名聲顯赫的法國偉人,收件人是一個29 歲的實驗員。年輕的英國人吃驚地看到來函者的署名,忐忑不安地開啟了來信:“當我讀到您在科學上的重要發現時,我深深地感到遺憾:我自己過去的歲月實在是浪費在非常無聊的事情上。”

寄信人是當時落難的法國統帥、被稱爲“法國人的皇帝”——拿破崙(Napoleon Bonaparte,1769—1821)。他在滑鐵盧戰役敗給了英國及其聯軍之後,於1815 年12 月10日被流放到了聖海倫娜島,在那裏受隔離軟禁直至1821 年5 月5 日去世。

收信人則是愛因斯坦心目中的三位英雄人物之一:牛頓、麥克斯韋和他——法拉第。愛因斯坦書房牆壁上僅僅掛着這三位的肖像。

邁克·法拉第,1791 年出生在一個貧窮鐵匠之家,小學畢業便輟學當賣報童,後來到了一家小書店當釘書員。幸好法拉第一家人的窮日子過得並不痛苦。他後來在信札中寫道:“我的父親常常唱歌。我想我長大以後喜歡唱歌是受了父親的影響。我的母親常常唸詩給我們聽。她非常溫柔,把家裏打理得乾乾淨淨,對我們似乎有着沒完沒了的愛。貧窮沒有在家裏留下絲毫的痛苦痕跡,反而使一家人更加親密。在我父母的心中,窮是神給的祝福,不是詛咒。”法拉第在溫馨友愛的家庭環境下長大,一生喜愛讀書、唱歌、繪畫,並具有豐富的幽默感。父親一次在動物園裏回答年少的他爲什麼麻雀不會開屏的問題時說:“先做孔雀,後再開屏。”這句話無意中啓迪了他日後如何做人和處世。

邁克· 法拉第(Michael Faraday,1791—1867)

也許是出於樂觀的天性,整整7 年的釘書生涯沒有令法拉第沉淪,卻讓他有機會讀到了大量的科學著作,特別是自學到許多關於化學和電學方面的知識。這位貧苦徒工常常用節省下來的零錢購買一些廉價儀器和藥品,然後照着書本上的說明去做各種實驗。那段時間他還經常到“都市哲學學會”聽課,那裏定期爲失學青少年舉辦文化教育和科學講座(當時科學的名稱還沒有從哲學的統稱中分離出來)。

人生常常會有意外而又是決定性的轉折。1810年4月,法拉第有幸聆聽了皇家研究院當時極負盛名的化學家和發明家戴維(Sir Humphry Davy, 1778—1829) 題爲“ 自然哲學”系列講座的最後四場。講座結束後,興奮的法拉第給戴維寫了一封信,表示了對戴維的敬仰並希望他能推薦一份與科學實驗相關的工作。法拉第沒有簡歷可遞,但附上了他專心聽講時寫下並親手裝訂得十分精緻的一本386 頁筆記(現儲存於英國皇家研究院)。沒想到大名鼎鼎的科學家不僅給釘書匠回了信,還聘請他到皇家研究院實驗室當助理實驗員。法拉第從此走上了科學研究的不歸路,在那個實驗室裏度過了其後半個世紀的時光,直至退休才離去。

戴維因發現了鈣、鈉、鉀、鍶、鋇、鎂等15 種元素而馳名於世,是歷史上發現化學元素最多的科學家,他還證實了金剛石和木炭的化學成分相同,被後人稱爲“無機化學之父”。但是,據說戴維和夫人初時對法拉第並不友善,外出講學時把他帶上當作隨從使喚。

有一次,戴維受邀爲礦工設計安全燈。那時人們尚沒有電能概念,當然也就沒有電池和燈泡可用,這項研究一點也不容易。法拉第爲戴維出謀劃策,讓安全燈爲礦坑帶去了光明,幫助戴維贏得了榮譽。這讓戴維開始對法拉第另眼相看。可是,誠實的法拉第卻宣稱這種安全燈並非絕對安全,讓虛榮的戴維大爲惱火,於是開始排斥打擊法拉第。後來法拉第回憶:“過去我以爲,一個人愈聰明,他的品德就愈高尚。不幸的是,我後來發現常常相反,許多社會地位低下、知識水平不高的人,卻有着一顆強健、尊貴、神聖和充滿愛的心。我的期待是,讓聰明與品德在同一個人身上並行長進,還原上帝當初創造人類的榮耀。”

在皇家研究院實驗室工作期間,法拉第的才能漸露頭角,不斷有新的發現和發明,讓他聲名鵲起。法拉第接踵而來的榮譽卻讓戴維無法忍受,認爲這個出身低微的實驗員奪去了自己英國最偉大科學家的風采。1824 年,當法拉第被提名皇家學會院士(Fellow of the Royal Society)時,戴維堅決反對;無記名錶決結果中出現了唯一的一張反對票。當然,33 歲的法拉第最後順利當選。

不過,“大人自有雅量”,法拉第一生都尊重戴維爲自己的恩師, 從來沒有抱怨過他。後來戴維也逐漸轉變了對法拉第的態度,並多次對法拉第給予的幫助和貢獻表示感謝。1825 年,也就是法拉第當選爲皇家學會院士的第二年,病退的戴維提議法拉第接替其皇家研究院實驗室主任的職位。戴維晚年時,有人問他一生中最重大的發現是什麼?戴維毫不猶豫地回答說:“我一生中最重大的發現是法拉第。”

戴維之所以這樣說,是因爲法拉第一生中同樣有許多重大的發明和發現。法拉第所從事的實驗研究課題廣泛多樣,起初主要是化學,後來是電磁學。化學方面,他在氣體液化研究中採用低溫加壓方法液化了氯化氫、硫化氫、二氧化硫和氫;他又在燃氣分餾中發現了苯;他還最先觀察到了我們今天熟識的半導體現象和納米粒子。法拉第除了有許多科學發現之外還有不少技術發明,諸如合成了六氯乙烷和四氯乙烯,製成了本生燈、光學玻璃、凝膠、碳鋼、合金鋼,並首創出金相分析方法。法拉第最廣爲人知的發明是他在1836 年製作的電容器及引進的介電值和電容常數,因此後人選擇了法拉(Farad)作爲電容量單位。

法拉第最出色的工作是電磁感應的發現和電磁場概念的提出。1821 年, 受到奧斯特(Hans Christian Oersted)關於電流磁效應論文的啓發,他在實驗中獲得了重大發現:透過電流的導線能繞着磁鐵旋轉。同年,他和戴維以及沃拉斯頓(William Hyde Wollaston) 一起發明了(單極)電動機。法拉第進一步認爲,電和磁之間應當有一種和諧的對稱:既然電能生磁,磁亦能生電。經過整整10 年的不斷探索和多次失敗之後,法拉第終於在1831 年8 月26 日獲得了成功! 他用伏打(Volta) 電池給一組線圈通電或斷電,瞬間中從另一組線圈獲得了感生電流,他稱之爲“伏打電感應”;同年10 月17 日,他又完成了在磁體與閉合線圈相對運動時從閉合線圈中激發出電流的實驗,他將其稱爲“磁電感應”;他進而發明了(圓盤)發電機。法拉第的這些偉大的科學成就意義非凡,宣告了人類社會開始進入電氣時代。

接下來,1832 年法拉第發現了抗磁性,即物體被磁化時會產生與外來磁場對抗的磁力。他詳細研究了電化學分解,得到了兩條“法拉第電解定律”。他還研究了(不同來源)電的同一性。1835 年,法拉第研究了靜電學和電介質以及氣體放電。在對於靜電的研究中,他發現在帶電導體上的電荷僅依附於導體表面,而且這些表面上的電荷對於導體內部沒有任何影響。這個“法拉第屏蔽效應”還被應用於“法拉第籠”上:即使當金屬籠子的靜電壓升高到比如一百萬伏,由於屏蔽效應,電荷全部分佈在籠子外表面而籠子內部卻不帶電,這時如果有人躲在籠裏的話依然會很安全。這一發現不但帶來了許多工程技術的應用,也讓不少魔術師用來表演一些令人驚心動魄的節目。

印有法拉第肖像的英鎊紙幣

1837 年,法拉第進一步提出了靜電感應理論。早在1822 年他就試圖讓光沿着電流的方向運動,透過電解波來獲得偏振光,不過沒有成功;到1845 年,他實現了用強磁場來使偏振光的偏振面發生旋轉,現稱爲“法拉第旋轉效應”。在1845年,法拉第還研究了光、電和磁的關係,提出了“光和電波性質相同”的理論。之後,他在1846 年研究過射線振動,1849 年研究過重力和電,在1857 年研究過時間和磁。在這些研究工作的基礎上,他產生了電和磁作用透過某種中間介質從一個物體傳到另一個物體的想法,認爲這種介質是一個“場”。1931年9 月23 日,愛因斯坦在英國倫敦舉行的“電機工業百年紀念日”演講中說:“我相信法拉第對世界的影響永遠沒有盡頭。他在電磁場方面所留下的思想,後人將還會繼續討論下去。”愛因斯坦指出,引入“場”的概念是法拉第最富有獨創性的見解,而電磁場本身就是牛頓時代以來最重要的發現。這或許解釋了爲什麼愛因斯坦書房牆壁上有法拉第肖像的原因。

“法拉第電磁場學說”深邃的物理思想強烈地吸引並鼓舞了當時年輕的物理學家麥克斯韋(James Clerk Maxwell,1831—1879),使他在1865年總結出後來稱爲“麥克斯韋方程組”的電磁場基本定律,令電和磁的物理與數學理論達到了完美的統一。1931 年,愛因斯坦在“麥克斯韋百年誕辰紀念會”上評價說,他的建樹“是牛頓以來物理學最深刻和最富有成果的工作”。爲此,愛因斯坦把麥克斯韋肖像也掛在了自己的書房。在愛因斯坦看來,法拉第和麥克斯韋以及後來的赫茲(Heinrich Rudolf Hertz, 1857—1894)等人的科學貢獻,是由18—19世紀經典物理學向20 世紀相對論和量子物理學轉變過程中的關鍵因素。

法拉第不但自己努力進取,而且非常熱心幫助年輕人。物理學家麥克斯韋當時找不到工作,處境困窘,法拉第大力推薦他到皇家研究院獲得了一個職位。物理學家焦耳(James Prescott Joule,1818—1889),年輕時寫論文屢屢被學刊拒稿,十分沮喪。有一次,他鼓起勇氣把自己認爲最好的一篇論文寄給年邁的法拉第,請他審閱。法拉第很快就回了信,說:“我已收到你寄來的文章,並且立刻就閱讀了。感謝你對我們所衷心熱愛的科學有這麼美好的貢獻。何等之歡慰啊,我能夠在一息尚存之際看到你爲電學做出的這一步跨越。我已看到你未來的.輝煌!我知道在這領域裏仍有許多朦朧不清之處,但你的文章卻如曙光破曉。我不得不說,你在自然科學的這個領域作出了非常重要的貢獻。”

從1825 年到1862 年之間,法拉第在皇家研究院主持了“星期五晚討論會”科普系列活動。參加討論會的成員有工人、貴族、學生、教授,愛好科學的女皇有時也會到來。大家自願地來到這裏傾聽科學家們的報告,瞭解如何進行實驗、如何建立理論。從1826 年的聖誕節開始,法拉第爲兒童講授自然科學知識。他特別喜歡向孩子們講解自然現象的奧祕,例如天空中爲什麼有云?雷聲爲什麼總是在閃電之後才聽到?河水爲什麼總是向低處流,等等,常常令好奇的小孩子們興奮不已。由於演講總是在元旦前後舉行,大家稱之爲“聖誕節講座”。該項兒童科普系列活動一直延續到1860 年法拉第快70 歲時才終止。他在其中的演講《蠟燭的化學史》於1861 年編纂成書,後來被翻譯成多種語言出版。

法拉第《蠟燭的化學史》一書的封面

法拉第是一位非常虔誠的基督(Sandemanian 派)教徒。在一次振奮人心的公衆講演中,法拉第向大家介紹他的電磁學發現。在座的除了慕名而來的社會名流、學者教授之外,還有維多利亞女皇和一些達官貴人。法拉第發言結束後,聽衆們起立並報以熱烈的掌聲。可是,大家等了很久卻沒有見到法拉第重新露面致謝。原來他已經從後門溜走,到一位重病老人家中,爲她頌讀聖經予以安慰和鼓勵。在法拉第看來,陪伴一個即將辭世的老人走完人生最後一段路,比接受一羣大人物的恭維更爲重要。

法拉第作爲化學家出名後,英國法院經常聘請他去做刑事藥物鑑定,有人勸他辭去實驗室的研究工作到年薪5 倍的法院去做事。但法拉第笑了笑,搖了搖頭。1853 年至1856 年間,歐洲爆發了著名的克里米亞戰爭(Crimean War),交戰一方是俄羅斯帝國,另一方是奧圖曼帝國、法國和英國。當時的英國政府曾經邀請法拉第去研製化學武器,但他認爲這樣做是滅絕人道而斷然拒絕。

法拉第一生生活簡樸,不崇尚榮華富貴,以致經常有新人到皇家研究院做實驗時錯把他當作那裏的守門人。法拉第27 歲時與莎拉·伯納爾(Sarah Barnard,1800—1879)結爲夫婦。妻子對法拉第淡泊名利、專心從事科學研究十分支援。她曾經說:“雖然科學對他來說是如此的振奮和吸引,而且時常剝奪了他的睡眠時間,但是我卻滿足於做他思想的枕頭。”他們夫婦沒有子女,兩人都是虔誠的基督教徒,而且一生都沒有存錢的習慣。他們定期把收入的大部分送去救濟窮人。法拉第一生不曾有過屬於自己的房子,他和夫人在皇家研究院的頂樓小房間裏整整住了42 年。據說1858 年退休那天,他和妻子提着皮箱步出大門時,面前出現了維多利亞女皇和她的皇家儀仗隊,特地前來歡送他們。女皇邀請說:“搬到我爲你們在Hampton Court 準備的房子吧!”可是法拉第搖了搖頭,說:“多謝了,但我付不起房租。”女皇笑着說:“免租金。”法拉第依然推託:“這麼大的房子,我付不起維修管理費。”女皇又笑了:“別擔心,我來付好了。”最後,法拉第夫婦搬進了那處曾是一位石匠居住的地方,平靜地度過了餘生。

只有小學學歷的法拉第成名後獲得了許許多多的榮譽和獎勵。這裏列出代表性的幾個:1832 年,他被牛津大學授予榮譽博士學位,並被選爲美國藝術與科學院外籍院士;次年,他成爲了英國皇家學院的第一位Fullerian 化學( 講座) 教授;1838 年,他和高斯一同分享了當年的Copley 金質獎章;1844 年又成爲法國科學院當時僅有的8 名外籍院士之一,等等。法拉第對祝賀他的朋友們說:“我承認這些榮譽很有價值,不過我從來沒有爲這些榮譽去工作。”

英國皇家學會曾先後兩次推舉法拉第擔任主席(President of the Royal Society), 他都拒絕了。他說:“我只是一個普通人。如果我接受皇家學會給予我這莫大的榮譽,我並不能保證自己的真誠和正直,連一年也保證不了。”維多利亞女皇曾要冊封他“騎士”爵號,那是英國皇家授予最進階別的終身榮譽,但是他也婉言謝絕了,說:“我一輩子都是一個普通人法拉第。”

1867 年8 月25 日,76 歲的法拉第在家中安詳地離開了人世。在倫敦有一所神聖的威斯敏斯特教堂(Westminster Abbey),俗稱西敏寺,是英國國王登基和皇室舉行婚禮的地方;如果死後能被安葬於此,哪怕是放上一塊墓碑,便是至高無上的榮耀。這裏長眠着許多偉大人物,包括牛頓、達爾文、狄更斯、邱吉爾、彌爾頓。法拉第懷着一輩子都是一個平民的執着,生前拒絕了女皇把他死後安葬入西敏寺的建議,最終長眠在倫敦北面的Highgate墳場。

邁克·法拉第塑像(倫敦薩沃伊廣場工程科技學會大樓外)

法拉第一生擁有太多的功績,但他認爲死亡是件私事,只要求簡單地在自己的墓碑上刻上:“邁克·法拉第, 生於1791 年9 月22 日,卒於1867 年8 月25 日。”不過,刻着他名字的一塊碑石後來還是被莊嚴敬重地放進了西敏寺內的牛頓墓旁。

在法拉第的喪禮上,人們聽到並記住了由他夫人轉述的遺言——“我的一生,用科學來侍奉上帝”。

參考文獻

[1] Obituary Notices of Fellows Deceased, Proceedings of the Royal Society London,Series A,Vol. XVII,l-lxviii,rspl. 1868. 0002,1923

[2] The Royal Institute,Biography of Michael Faraday:http://www. rigb. org/our-history/people/f/michael-faraday

[3] 張文亮. 電學之父—法拉第的故事. 臺北:文經出版社,1999

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