戴维指着自己手上、脸上的伤疤,对法拉第说:“牛顿说过:‘科学是个很厉害的女主人,对于为她献身的人,只给予很少的报酬。’她不仅吝啬,有时候还很凶狠呢。你看,我为她效劳十几年,她给我的就是这样的奖赏。”法拉第坚定地说:“我不怕这个!”戴维又说:“这里工资很低,或许还不如你当订书匠挣的钱多呢!”法拉第回答说:“钱多少我不在乎,只要有饭吃就行。”戴维追问一句:“你将来不会后悔?”法拉第坚定地说:“我决不后悔!”就这样,法拉第踏进了科学的殿堂。
人穷志坚的少年
1791年9月22日,法拉第出生在英国纽因敦城一个普通的铁匠家庭。一家6口,靠父亲打铁糊口。为了维持生活,法拉第12岁当报童。
法拉第童年生活没有留下更多的记载。根据他后来的回忆,他的童年是在饥饿中度过的,有时候一条面包要当一星期的口粮,每天早晚各吃一小块,这样就不至于完全挨饿,当然也不可能有一顿完全吃饱。幼年生活的困苦,锻炼了法拉第朴素而坚忍的性格。
从13岁到21岁,法拉第在里波先生的书店里当了8年学徒。在将近3000个夜晚,法拉第把时间都用在读书和实验上。劳动了一天,他依然在微弱的烛光下坚持读书。书本把他带到了一个奇妙的世界。他自己说:“我特别喜欢阅读科学书籍。”在他读到的书籍中,他最爱看的是《大英百科全书》,特别是富兰克林这些先驱者的电学知识,使他受益匪浅。
里波先生的书店在伦敦很有名气,皇家学会很多会员,都乐意把自己的科技书籍送来装订。顾客中有位当斯先生很喜欢法拉第,有一次他送给法拉第4张入场券,让他去皇家学院听大化学家戴维的讲座。
1812年2月的一个晚上,法拉第生平第一次跨进皇家学院的大门,坐在阶梯形的讲演厅里。戴维讲的题目是发热发光物质,讲得轻松、透彻。法拉第被深深地吸引住了,他一连听了戴维的4次讲座。他把4次听讲的笔记仔细整理以后,用漂亮的皮封面装订成册。他经常轻轻地翻阅,多么渴望能从事科学研究工作啊!
于是,他决定写信给当时的英国皇家学会会长班克斯爵士,要求在皇家学院找个工作,哪怕在实验室里洗瓶子也行。他心神不宁地等了整整一个星期,音信全无。他忍不住跑到皇家学院去打听,得到的回音只是冷冰冰的一句话:“班克斯爵士说,你的信不必回复!”
法拉第又一次向命运挑战了。他鼓起勇气给戴维写信,并且把装订成册的戴维4次讲座的笔记一起送去。法拉第的身世和热情打动了戴维。戴维决心在皇家学院给这位青年人谋一职位。起初他只干些刷洗瓶子、打扫卫生的杂活。由于他干得出色,几个月后,碰巧皇家学院的实验室需要一名实验助手,戴维征询法拉第的意见,法拉第毫不犹豫地接受了这一工作。在戴维的帮助下,科学圣殿的大门向学徒出身的法拉第打开了!
打开电力时代的大门
1813年,戴维夫妇去欧洲大陆游历,他们带着法拉第作为秘书。这次旅游进行了18个月,这对法拉第的教育起了重大作用。他见到了许多著名的科学家,如安培、伏特、阿拉戈和盖·吕萨克等。欧洲之行使法拉第受益匪浅,正是安培和伏打对电的研究启发了法拉第,使他后来产生了将磁转化为电的想法。因为法拉第看到电流可以从伏打电池中产生,但伏打电池成本太高,所产生的电量又有限,既然地球本身就是一个大磁石,那么自然界中磁就有的是,如果能从磁石中产生出电流来,便能够以很低的成本获取大量的电流。法拉第下决心一定要搞清电磁的关系。他在日记本中写上了一个警句:“由磁产生电!”正是他的艰苦研究和伟大发现——由磁感应的电流产生,人类获得了打开整个电能宝库的钥匙,使蒸汽时代进入电气时代成为可能。
1820年,物理学界发生了一件大事:丹麦科学家奥斯特发现了电流的磁效应,第一次揭示出电和磁的密切联系。29岁的法拉第被这个重大发现所吸引。他以极大的兴趣重复了奥斯特的实验。果然,南北指向的磁针在通电导线下面会转成东西方向。这是为什么呢?怀着极大的兴趣,法拉第毅然决然闯进了电磁学这个未知的领地,沿着化学家奥斯特的发现继续深入探索。
年轻的法拉第专门设计了一套装置进行电磁研究。他将两个紧密耦合而又互相绝缘的组合线圈与开关、电瓶和电流计分别连接,试图反其道而行之,使初级线圈接通电流后,次级线圈能够感应出电流来。但是事与愿违,法拉第的实验重复了无数次,却每次都在希望中开始,在失望中结束。
“锲而不舍,金石可镂”。经过反复不断地改进、实验和百折不挠地努力,法拉第终于在1831年的秋天迎来了他一生中最难忘的一年。在他的实验室里,法拉第解开了一直为大家所困扰的谜:磁铁和初级线圈一样穿过次级线圈环,电流计的指针也随着磁铁的运动而摆动。原来是通过次级线圈的磁通量的变化引起了感应电流。换句话说,正是运动的磁产生了电流,法拉第酝酿和追求了10年的理想终于实现啦!这就是著名的电磁感应现象!它继奥斯特等人的实验之后,进一步揭示出电和磁互相转化的辩证关系,为近代电磁学奠定了基础。也正是在这个基础上,法拉第制造出世界上第一台感应发电机。
为了定量表述电磁感应规律,法拉第设想一种曲线,它的任意一点的切线方向都与磁力在这一点上的方向一致,这种曲线就是磁力线,磁力线可以充满整个空间。他于1837年又进一步提出了“场”的全新概念,但是这一学说在当时遇到了极大的阻力,不被人理解。因为当时牛顿力学是物理学的主宰,“超距作用”观念不但支配了天体力学,也影响到电磁学。人们普遍认为力的传递,包括电力和磁力,是即时而超距的。
法拉第从大量的实验事实出发,对“超距观念”提出了怀疑。他相信“物质到处存在,没有不被物质占有的中空地带”,因此电力和磁力不能凭空传递。法拉第经过十几年的酝酿,终于找到了杰出的“力线”概念,认为导线中感应电流的大小完全取决于导线切割磁力线的数目。用这种全新眼光来观察,电荷或磁极周围布满了向各个方向散发出去的力线,电荷或磁极就是力线的起点。从这一事实出发,法拉第把布满磁力线的空间称为磁场,磁力就是通过连续的场传递的。这样,法拉第“场”理论动摇了牛顿力学的神圣殿堂。但这一观点只能以直观形式表达,缺乏严谨的体系和精确的数学语言,因而他这些卓越的思想被粗糙的表现形式所掩盖。这一缺憾由后来的麦克斯韦弥补了,当麦克斯韦方程以简洁的形式表现出“场”的状态和电磁光的统一关系时,人们才清晰地看到了法拉第电磁观点耀眼的光辉。
一专多能的科学家
虽然法拉第的杰出贡献是在物理学方面,但他最初的成就却是在应用化学上。
早在1816年,25岁的法拉第就在《科学季刊》上发表了第一篇化学论文。1818年,他写了一篇关于火焰的学术报告,大胆指出了名家理论的谬误。这篇论文标志着法拉第科学上的准备时期已经结束,他终于成长为一名年轻有为的化学家。1820年起,法拉第开始把化学分析应用于社会和生活,他曾为东印度公司化验硝酸钠,为英国海军部化验食物和海水样品。他用实验发明了液化气体的方法,发现了苯这种有机物,从而为有机化学做出了杰出的贡献。
1834年,法拉第在电化学领域做出了卓越的贡献。他在戴维多年工作的基础上,发现了著名的电解定律。这个定律找出了电解的时候物理现象和化学现象定量的联系,成为化学的基本定律。电化学的开创人是戴维,法拉第把它发扬光大了。
法拉第还对电解质和电导体进行了深入的研究。在实验中,他感到当时电学中沿用的旧名称很混乱,不但词不达意,还常有谬误。法拉第认为随着新的电学理论的出现,有必要对旧名称来一次清理。他断然废除了一些过时的旧名称,更换了新名。比如电极、阳极(正极)、阴极(负极)、电解质、电解离子等,就是法拉第首先使用的。这些名词一直沿用到现在。
做一个平凡的人
由于对电磁学的巨大贡献,法拉第在晚年获得全世界的敬重。各国授予他的奖章、荣誉称号像春天的鲜花一样繁多。他坚忍不拔的精神和纯朴无私的人格,使许多人倾倒,著名科学家、作家都以能和他结识为荣。面对花团锦簇的荣誉,法拉第始终虚怀若谷,从来不把自己看成一个伟人。法拉第不计较名誉地位,拒绝了制造商的高薪聘请,谢绝了大家提名他为皇家学会会长和维多利亚女皇授予他的爵位,终身在皇家学院实验室工作,甘愿当个平民。退休以后,法拉第还念念不忘皇家学院实验室,经常去那里扫地、擦桌子、整理仪器。
不但如此,他还拥有一副热心肠,只要是对公众有益的事情,他从不推却。当初,有人请他给一座灯塔当技术顾问,他尽管工作繁忙,还是愉快地承担了,并且几十年如一日,对灯塔的照明设施做了许多技术改进。每当法拉第看见灯塔在滨海的暮色中闪亮的时候,心里就感到无限的愉快。当人们去拜望法拉第时,可以看见一位白发飘逸、衣着简朴的老人,坐在门外凝望着田野和壮丽的落日,他的表情恬静,眼里含着快乐的光芒。
1867年8月25日,法拉第坐在书房的椅子上安详地离开了人世,终年76岁。遵照他的“一辈子当个平凡的迈克尔·法拉第”的意愿,他的遗体被安葬在海洛特公墓,墓碑上只刻着三行字:迈克尔·法拉第,生于1791年9月22日,殁于1867年8月25日。