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一七九一年
迈克尔
法拉第出生于伦敦南部
他的父亲是个铁匠
来自约克郡
他十四岁便离开学校
成为一名装订工学徒
因此他全靠自学成才
一八一一年
来自康沃尔的科学家汉弗莱
戴维爵士在伦敦做了一次演讲
法拉第把讲座笔记寄给了戴维
戴维对法拉第的勤奋印象深刻
于是任命他为科学助理
法拉第因此获得了进入科学领域的机会
后来
法拉第成为十九世纪的科学巨人
并被公认为有史以来最伟大的实验物理学家
据说戴维曾宣称
法拉第是他最伟大的科学发现
二十一世纪的科学家时常用羡慕的眼光回顾十九世纪初的科学
那时
法拉利不需要与欧洲核子研究中心的其他一万名科学家和工程师合作
也不需要将一台双层巴士大小的太空望远镜发射到地球高轨道
就可以获得重大的发现
帮助他直接瓦解绝对时间的欧洲核子研究中心小到可以被安放在长凳上
几个世纪以来
那些不需要先进仪器测量的自然科学领域已经被细致的研究过了
这使得科学规模发生了彻底的变化
今日
尽管仍有重要的科学发现有简易的实验装置做出
然而前沿研究的突破则更多的依赖复杂的仪器设备
在维多利亚时代早期
法拉第打破时间假象所使用的无非是线圈
磁铁和指南针
这些仪器可就地取材
也不昂贵
像其他科学家一样
一旦认定自己喜欢做的事情
他便开展工作
收集实验证据
实验室内
煤气灯昏暗
把线圈斑驳的影子投到漆黑的长凳上
他在一堆装置中仔细观察着
四处忙碌着
那时 托马斯
爱迪生还没改良电灯泡
还没有实用的电灯
让观众眼花缭乱的电灯演示
戴维本人也仅仅在一八零二年皇家研究所做过
在十九世纪早期
电学还是物理和工程的前沿科技
法拉第发现
当移动磁铁穿过闭合电线圈时
线圈内会产生电流
他还观察到
当电线通有电流时
电线附近的罗盘指针会发生偏转
由于指南针是一种由磁铁做的探测设备
通常情况下
它沿着地磁场方向指向北极
因此电流会产生类似地磁场的场
当导线通有电流时
周围磁场变强
使罗盘指针瞬间发生偏转
法拉第认识到
电和磁虽然表面上完全不相关
但是实际上有某种深层次的联系
这种联系并不明显
打开客厅墙上的开关
灯泡中有电流流过
这与把磁性冰箱贴粘在冰箱上的力有什么联系呢
但通过对大自然的仔细观察
法拉第最终发现
电流产生磁
移动的磁铁产生电流
现在我们把这两个简单的现象称为电磁感应
它是发电机和电动机的物理基础
从冰箱原理到DVD播放激光碟弹出的原理
生活中我们到处应用到了它
法拉第对工业世界的发展做出了无法估量的贡献
然而
基础物理学的进步很少全部由实验取得
为了解实验结果背后的机制
法拉第问道
既然磁铁没有接触导线
导线中怎么会产生电流
一股电流又怎么能使指南针指针发生偏转
有某种作用因素必然在磁铁导线和指南针之间的空隙中传递
这使得线圈感受到通过的磁铁
指针感受到流经的电流
这种因素现在被称为电磁场
我们提到地磁场时
用到了场这个磁
它在日常用语中容易被忽略
然而作为一个抽象的物理学概念
厂在深入理解物理世界时起着不可替代的作用
同时
厂方程是描写多达几十亿个亚原子粒子行为的最有效方程
这些亚原子立场组成了我们的手
手中的书和看书的眼睛等
法拉第用一组线来形象的表示场
这些线由磁铁和通电导线发出
它称之为磁力线
把铁屑撒在纸上
纸下面放上磁铁
就能看到这些线条
若要举个例子来说明一个物理场
那么每天房间里的温度分布就再好不过了
靠近暖气片的地方会很热
靠近窗户的地方要冷一些
对房间里每一个地方的温度进行测量
并把大量的测量数据填到一个表格里
就有了一个温度场的表示
同样
对于磁场
可以根据磁针的偏转确定房间里的磁场分布
相比温度场
亚原子粒子场更加抽象
它在空间某一点的值表示在该点发现它的概率
我们将在第七章回到这些问题
为什么要煞费苦心的引入如此抽象的概念呢
使用电流的强弱和指针偏转这些可以直接测量的物理量不是更好
与工业革命中许多伟大的实验科学家和工程师一样
法拉第是个非常务实的人
厂的想法对他来说具有巨大的吸引力
他的初衷是构想一幅把磁铁和线圈连接起来的机械图像磁场恰恰是这样的物理连接体起着桥梁的作用
因此他深信厂的存在
还有一个更深层次的原因
让现代物理学家认为磁场就像电流和罗盘偏转一样真实
证明了场的不可或缺
苏格兰物理学家詹姆斯
克拉克
麦克斯韦的工作是加深对这一问题理解的关键
一九三一年
在麦克斯韦诞生一百周年之际
爱因斯坦将麦克斯韦的电磁学理论描述为自牛顿时代以来
物理学所经历的最深刻和最富有成果的工作
一八六四年
法拉第去世前三年
麦克斯韦成功的写出了一组方程式
描述了法拉第和其他许多人在十九世纪上半叶仔细观察和记录的所有电磁现象
在探索自然界的过程中
方程是物理学家最有利的工具
大多数人在求学阶段常常觉得方程很可怕
所以我们有必要停一停
多谈几句
以便打消部分读者的忧虑
当然
并不是所有人都会对数学有这样的感觉
那些自信满满的读者
希望他们多些耐心
不要觉得没有必要
简单来说
方程可以预测实验结果
从而避免亲自去做实验
举一个最简单的例子
就是与直角三角形边长有关的勾股定理
后面我们会使用勾股定理证明时间和空间的许多难以置信的性质
勾股定理是指斜边的平方等于另外两边的平方和
它的数学表达式为x平方加y平方等于z平方
其中z是直角三角形的最长的边
斜边的长度x和y是其他两边的长度
如图一所示
符号XY和z用来代表各边的实际长度
x平方是x乘以x的数学表达式
例如三的平方等于九
七的平方等于四十九等
我们没必要一定要使用XY和z
可以使用我们喜欢的符号
如把勾股定理写成月亮的平方加飞机的平方等于笑脸的平方
其中用笑脸来表示斜边的长度
接下来我们给一个勾股定理的应用实例
如果直角三角形两条短边分别长三厘米和四厘米
那么根据该定理和三的平方加四的平方等于五的平方
三角形斜边的长度为五厘米
当然
当长度不是整数时
定理同样成立
我们还可以设计一个实验
用尺子测量出三角形斜边的长度
这会有点枯燥
相比毕达哥拉斯写下的方程式省去了实验的麻烦
我们只需通过简单计算就可以得到三角形第三条边的长度
对于物理学家来说
更重要的是
方程式还表达了事物之间的关系
实现了对现实世界的精确描述