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沉睡了百年的科学猜测

来源:网络资源 2009-09-01 20:29:19

[标签:化学 化学教材]

  1832年,英国科学家法拉第(Michael Faladay,1791~1867)把一封密信交给了英国皇家学会,信封上面写着:“现在应当收藏在皇家学会的档案馆里的一些新的观点”。在这封信里法拉第提出了一个重要的科学猜测:电磁作用可能以波的形式传播,而且光可能就是一种电磁波动。遗憾的是法拉第没有公开发表这一杰出猜测,这封信在皇家学会的档案馆里静静地躺了100多年,直到1938年才为后人重新发现,此时电磁场理论早已确立,电磁波也已经广泛地应用于通迅技术等领域。

  法拉第在信中写道:

  前不久在皇家学会宣读了题为《对电做的实验工作》的两篇论文,文中所介绍的一些研究成果以及由于其他观点与实验而产生的一些问题使我得出结论:磁作用的传递需要时间,即当一个磁铁作用于另一个远处的磁铁时,产生作用的原因(我以为可以称之为磁)是逐渐地从磁体传播开去的。这种传播需要一定的时间,而这个时间显然是非常短的。

  我还认为,电感应也是这样传播的。我以为,磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动或者空气粒子的声振动,也就是说,我打算把振动理论应用于磁现象,就像对声作的那样,而且这也是光现象最可能的解释。

  类比之下,我认为也可以把振动理论运用于电感应。我想用实验来证明这些观点,然而,我的时间要用于履行职责,这可能拖长实验的时间,而实验本身也可能成为观察对象。因此,我把这封信递交皇家学会收藏时,要以一个确定的日期来为自己保留这个发现。这样,当从实验上得到证明时,我就有权力宣布这个日期是我发现的日期。就我所知,现在除了我外,科学家中还没有人持类似的观点。

  迈·法拉第 1932年 3月 12日于伦敦皇家学会

  法拉第在这封信中提出了一系列杰出的科学猜测,他预言了磁感应和电感应的传播需要时间,而这种传播类似于水面波或者声波,暗示了电磁波存在的可能性,他还预言光可能是一种电磁振动的传播。根据他的类比和猜测,法拉第指出进一步的工作就是把振动理论应用于这一研究。法拉第不愧为一个伟大的物理学家,他思想深刻,目光深逮,具有杰出的洞察能力。在1832年,这些无疑是超越时代的伟大猜测,但是,我们也会产生这样一些问题:这样重要、大胆的科学猜测,为什么法拉第要把它锁在皇家学会的档案馆里呢?为什么他不去设法用实验证实它呢?

  法拉第是19世纪英国最杰出的物理学家之一。他生于伦敦近郊一个小村子里,他的父亲是个铁匠,家境贫寒,所以法拉第没有机会上学,只是受过一点点读、写、算的启蒙教育。5岁那年,法拉第全家搬到伦敦定居。1804年,13岁的法拉第进入一家售书兼装订书的商店,在那里工作了8年,起初当送报童,后来又作装订图书的学徒。这个工作对他的一生产生了很大的影响,由于有机会接触到大量的图书,法拉第在工作之余读了很多科学书籍,获得了广泛的科学知识。法拉第说:“这些书中有两本对我特别有帮助,一本是《大英百科全书》,我从它第一次得到电的概念;另一本是玛西特夫人(Mrs.Marcet)的《化学谈话》,它给了我这门科学的基矗”法拉第还省吃俭用,用自己很少的零用钱购买了一点用品,动手做了一些简单的化学实验。法拉第积极参加一些科学报告会和讨论会,受到了初步的科学教育。

  1812年秋,法拉第有机会参加了著名化学家戴维(H.Davy,1778~1829)在皇家研究院的4次有关化学的讲演会,他立即被这些讲演所吸引,他仔细听讲,认真作笔记。这时21岁的法拉第学徒期已满,到另一家印书店给人做装订工,他对这个工作感到不满,试用时关系不好,不久就失业了。后来他说:“我渴望离开商业工作,我认为这是不道德的和自私的,我希望进入科学部门工作,……”法拉第大胆地把这个愿望写信告诉了戴维,同时附上他精心整理和附有插图的听讲笔记,希望戴维能帮助他实现这个愿望。戴维对法拉第的身世和热爱科学的精神深表同情,这时,戴维因做化学实验炸伤了眼睛,法拉第给他当了一段时间的抄写员。1813年2月,皇家研究院空出一个助手职位,戴维推荐法拉第做了他的助手。皇家研究院的文件上记载的戴维的推荐说:“根据戴维爵士的观察,这个人能够胜任工作,他的习惯很好,上进心强,举止和蔼,十分聪明。”

  1813年10月,戴维应邀到欧洲大陆进行学术考察,法拉第作为助手和仆人跟随前往。这次考察历时18个月,游历了法国、意大利和瑞士,戴维会见了当时很多著名科学家,参观了各国科学家的实验室,谈到了各个科学领域的问题,法拉第详细记载了戴维在各地讲学的内容,了解了各国科学家的研究工作和实验方法,扩大了眼界,他如饥似渴地吸收各种新知识。1815年4月回到伦敦后,在戴维的指导和鼓励下,法拉第开始了独立的研究工作,于1816年发表了第一篇化学论文。到1819年,法拉第已经发表了37篇论文,成为了一位小有名气的化学家。1821年,法拉第开始电磁学研究,同年9月发明电动机;10年后发现电磁感应和发明发电机,并提出场的概念。

  1824年,法拉第成为英国皇家学会会员,1825年任皇家研究院实验室主任,1833年升为教授。他在实验室工作了近50年,在电磁学、光学和化学等领域里都作出了许多极为重要的贡献,曾两次获得英国皇家学会的奖章。法拉第为人和蔼,文雅,谦虚而自尊,一生过着简单而朴素的生活。1867年8月25日,法拉第坐在书房的椅子上平静地离开了人世。人们为了纪念他,就把电容的单位称为“法拉第”。

  法拉第一生不为名利,献身科学。1825年,法拉第参与了冶炼不锈钢材和研制折光性能良好的重冕玻璃的工作。不少公司和厂家都愿以重金聘请法拉第担任他们的技术顾问,但是,把全部身心都献给科学研究事业的法拉第谢绝了这些聘请,全力投人研究工作。1851年,法拉第被一致选举为英国皇家学会的会长,但他坚决辞掉了这一职务,并说:“我希望我一直保持只有一个称呼,就是法拉第。”法拉第的学生和朋友,曾经和他一起在皇家研究院工作过的同事了择尔(J.Tyndal,1820~1893)在他的著作中写道:“这位铁匠的儿子,订书商的学徒,他的一生一方面可以得到15万镑的财富,一方面是完全没有报酬的学问,要在这两者之间作出选择,结果他选择了后者,终生过着贫困的日子。然而这却使英国的科学声誉比各国都高,获得了接近40年的光荣。”然而,这一次法拉第却似乎特意要为自己保留发现的优先权,这确实让我们有些难于理解。

  1820年9月到1862年3月,法拉第所从事的研究工作,都有详细的记录,他把这些记录遗赠给他工作了50年的皇家研究院,经后人整理出版,共3000多页,这就是著名的《法拉第日记》,他的重要发现,都可以在其中找到。此外,法拉第所发表的电磁学的论文,汇成3000多节组成的三卷本巨著《电学的实验研究》,这部著作中,汇集了他的精巧实验,形象描述和对物理学的深刻理解。麦克斯韦曾经赞扬法拉第说:“法拉第既告诉我们他的成功的实验,也告诉我们他的不成功的实验;既告诉我们他的粗糙的想法,也告诉我们那些成熟的想法。在归纳能力方面远不及他的读者,感到的共鸣甚至多于敬佩,并且会引起这样一种信念:如果自己有这样的机会,那么也将成为一个发现者。”但是,这一次,法拉第却把自己的不成熟的猜测密封进了皇家学会档案馆,这确实不是法拉第的一贯做法。

  法拉第这样做,可能有如下原因:

  首先,正如法拉第在信中所写的那样,1832年,法拉第的研究工作确实很忙,他没有时间对这一猜测进行实验研究。1832年8月法拉第发现了电磁感应现象,这是法拉第寻求

  10年已久的现象,他的全部注意力都集中到对这一现象的研究,他做了各种各样的实验,在此后约1年的时间里,法拉第在日记中共写下了441条有关电磁感应的记录,并画了不少草图。1832年3月,正是处于这二研究工作最繁忙紧张的时期。法拉第对待科学假设和理论的态度是非常严谨的。1834年,他的一位朋友向他建议一种新的物质理论,法拉第在复信中说道:“我毫不犹豫地建议利用实验来检验你的观点,因为不论你是赞成还是反对,从你的理论中得出的结论总是可靠的。至于观点本身,我不想多说什么,除非它们能够激起你进一步的探询和探索。……先行的理论总是一种障碍。”没有得到实验检验的猜测法拉第是不急于公布的。

  第二,法拉第虽然看到了这个问题的重要意义,但对问题的重要性还是认识不够。后来,法拉第一直没有对这个问题进行进一步探索,这就不能只归因于没有时间。法拉第在寻找电磁感应现象的过程中,曾经历了多次失败,但他始终没有放弃努力,在第五次回到这一问题的研究时,才获得了第一个效应。1831年,法拉第的研究工作也很繁忙,他专门给皇家研究院写报告,要求暂停光学玻璃的研究。才又回到这一研究领域。相比之下,对于电磁波的猜测法拉第似乎一直没有如此重视。

  第三,法拉第没有找到问题的突破口,没有找到检测这一猜测的具体实验思路。法拉第是一个想象力非常活跃和丰富的科学家,他的很多科学假设和理论以及他的实验都和他的想象分不开。但是,在科学研究中,他对于自己的观点总是首先设法验证,再设法发展它。法拉第一直没有发展这一大胆的猜测,主要在于他还找不到具体的理论说明,以及产生电磁波的具体实验方法和检测方法。也许这是法拉第让他的猜想一直静睡在档案馆中的最主要原因。

  1855年至1856年,麦克斯韦提出了关于电磁学的第一篇论文,1860年,麦克斯韦带着这篇论文拜访了年近七旬的法拉第。法拉第看过麦克斯韦的论文后大为赞赏,他在给麦克斯韦的信中写道:“……你的工作使我感到愉快,并鼓励我去做进一步的思考。当我得知你要就这一主题来构造一种数学形式时,起初我几乎吓坏了;然而我惊讶地看到,这个主题居然处理得如此之好。

  1864年麦克斯韦从理论上预言了电磁波,但是这一预言迟至1887年才在实验上得到检验。法拉第了解麦克斯韦的早期电磁学研究工作,如果法拉第与麦克斯韦合作,向他说明这一大胆猜测,让麦克斯韦从理论上阐述论证这一预言,也许会推动电磁学的发展,有利于麦克斯韦的电磁场理论被科学界及早承认,使电磁波及早得到实验检验。当然,历史不能假设。

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