[水煮物理]之:学“电磁三侠”、闯物理江湖

把三个人凑一块儿总会发生一些很神奇的事情,话说“三个臭皮匠赛过诸葛亮”,又有“三人行必有我师”等等。洋人里有“三个火枪手”,中华则有才子李靖、佳人红拂和侠者虬髯客并为“风尘三侠”,一代传奇,流芳数百年。北侠郭靖有云:“侠之大者,为国为民”。而物理学作为超越国界的基础自然科学,其中之大侠则泽荫全人类甚至跨越时空乃至影响无穷久远。这里我们要说的“电磁三侠”即是:实验物理大侠法拉第、应用物理大侠爱迪生和理论物理大侠麦克斯韦,他们的实验、发明和理论深深地影响着人类的生产和生活,直到今天我们仍然怀着无限感恩和无比敬仰的眼光去阅读他们的事迹。

实验物理大侠法拉第Michael Faraday,1791~1867)。一个贫苦的英国铁匠孩子,最高学历为小学二年级,凭借自身的勤奋和天才的动手能力和思考能力成为著名的物理学家和化学家,在电磁感应、电磁磁场关系、苯的发现和研究等诸多方面用简单而又精巧的实验揭示了自然伟大的奥秘。他提出的“力场”概念被物理学广泛接受并推广,至今仍然是物理学中最为基本也是最为重要的概念。

法拉第的童年时代是贫穷凄苦的,他随着父亲搬到伦敦,试图在这个大城市里寻找生活的希望。九岁的法拉第就已经是一个文具店里的学徒,十二岁的法拉第是一个街头的小报童,十四岁的法拉第又成为了书店的图书装订工。童工的生涯并没有让法拉第消沉,相反,他利用书店的资源博览群书,对自然科学产生了浓厚的兴趣,尤其是《大英百科全书》里的电学部分知识深深吸引着他。他甚至自己动手做静电起电机等简单的物理和化学实验,组织年轻人成立一个科学学习小组,互相讨论交流思想。十九岁的他开始市参加哲学学会的活动并频繁听自然哲学讲演。改变法拉第命运的是几次皇家研究所戴维爵士的化学讲演,戴维渊博的知识和精彩的讲演让他倾倒,他甚至把精心记录的笔记整理装订成一本书册名曰《戴维爵士演讲录》,并附上一份自荐信作为圣诞礼物一起寄给了戴维。戴维显然为如此真诚的粉丝而万分感动,恰巧眼睛因化学事故受伤的他正需要一名得力助手,于是22岁的法拉第开始给戴维打工。戴维带着法拉第到欧洲的诸个国家考察并结识当时许多著名的科学家,那个时候法拉第的身份是一个仆人。随着眼界的拓展和知识的丰富,法拉第开始大胆的科学实验,并很快取得了许多化学成果,如创立金相分析方法、用 取代反应制备六氯乙烷和四氯乙烯、发现氯气等气体的液化方法等。更为重要的是他对电化学的实验研究,并总结出了法拉第电解定律:电解释放出来的物质总量和通过的电流总量成正比,和那种物质的化学当量成正比。当然最出名的还是他对电磁学的研究。1821年法拉第从奥斯特发现的电流使得磁针偏转现象出发,制作了电动机的雏形——固定的磁铁让通电的线圈转动起来;1831年法拉第发现了电磁感应现象——磁铁穿过闭合回路时会产生电流;1845年法拉第发现了“磁光效应”——偏振光通过磁场后其偏振作用会发生变化;1837年法拉第首次引入“力场”的概念,他认为电和磁周围都存在“场”,场的强度和方向可以用“力线”的方向和密度来表示,处在场中的电荷或者磁将会因此受到相互作用。他用铁屑撒在磁铁周围,非常形象地“看”到了磁场的分布,而著名的“冰桶实验”则证明了电荷守恒定律。“场”概念后来被物理学家发扬光大,成为描述自然界相互作用的基本概念,是近代物理学的基础,这也是法拉第一生当中最为重要的科学贡献。1925年法拉第接替戴维任皇家研究所国家实验室主任,他的科学导师戴维曾说他对科学最重大的贡献就是发现了法拉第。

伟大的科学家法拉第又是一个平凡的普通人。他经常做公众科普演讲和组织科学讨论会,19年里不间断地坚持青少年通俗科学讲座并把讲稿编成了一本著名的科普读物《蜡烛的故事》。他热心于公众科学事业,为人质朴、谦虚谨慎且不图名利,以至于外人来皇家学院做实验时会误认他是看门的老头。在法拉第的实验记录本里,几乎没有任何数学公式,而有的是他实验过程的一张张图表,直观形象地显示了物理图像。他不愿意为拿高额的报酬,也不愿意接受皇家学会会长的提名,他认为这会因此而影响他的科研工作。他想做的,只是一个普通平凡的公民,可以自由畅游科学的海洋。1867年8月25日法拉第在他书房里安详地去世,他被葬在普通人的公墓里,墓碑上只有他的名字和出生年月。物理学界为了纪念法拉第,选取电容单位命名为法拉第,让后世永远铭记这位平民科学大家。

法拉第的故事告诉我们:1、做好科学研究,出生不是问题,学历也不是问题,贫穷更不是问题,关键是要持久拥有一颗对科学无比执着热爱的心!2、优秀的导师很重要,他能把你引领到科学的前沿,但是在此之后更为重要的是你自己的勤奋和努力;3、丰富地阅读文献资料是从事科学研究的基础,大胆和创新是科学前进的重要源泉,做一个好的实验物理学家最重要的是对物理图像和物理概念的深刻理解和认识,而不是数学公式推演和习题论证;4、科学研究中需要谦虚、谨慎、认真、勤恳,繁复的职务和诱人的高薪只会拖累科学本身; 5、科学是平民的科学,科学知识不是科学家的专利而是大众的财富,让更多的人懂得科学才是科学真正的成功。

应用物理大侠爱迪生Thomas Alva Edison,1847~1931)。提起爱迪生,人们的第一印象应该是“发明大王”。他一生有近2000项发明,其中在专利局正式登记的就达1300项,近现代社会用的电器如电灯、留声机、电话、电报、电影等等无不和爱迪生的发明有关联,电磁学的种种物理实验现象和原理在他手上变成了人类服务的不竭财富,极大地推动了人类社会进入电气时代。他创立的“爱迪生电力照明公司”在后来和汤姆休斯顿公司合并成为了通用电气公司统治了电气领域的长达一个世纪,至今通用电气公司(GE)仍然是全球最大的机械电器制造商和销售商之一。然而这样的一位发明大王兼企业大亨,却仅仅上过三个月小学,原因是曾被老师认为是“低能儿”而退学。他的知识只来源于母亲的耐心教导和勤奋的自修,靠着他对自然的强烈好奇心、亲自实验的本能、惊人的工作精力和团队组织协调能力,爱迪生一步步点亮了“发明大王”的智慧光环。

爱迪生小时候最大的特点就是有无穷无尽让人费解的问题,任何人都是他的发问对象,问到你烦的不行也不罢休。正是如此他的小学老师才把他列为“低能儿”——对付他那些愚蠢的问题实在太痛苦了。爱迪生另一个特点就是当他问问题得不到满意的答案时,他就会亲自动手用实验来验证他的想法。比如著名的爱迪生孵小鸡的故事,他认为既然鸡妈妈蹲在鸡蛋上面可以孵出小鸡,那他蹲在上面也可能孵出来。他看到铁匠用火烧红铁块,就想弄明白火究竟是什么,并着手在家里牛棚里开始实验,结果他把牛棚给点着烧掉了。他也曾想探究马蜂窝里的奥秘,然后被马蜂蛰的满脸肿痛。他甚至在自家地下室建设了一个小实验室,为了保护自己的实验品,他还故意贴上毒药的标签。在一个雪天的夜晚,为了让医生顺利给妈妈做阑尾手术,他巧妙利用镜子的反射聚集了昏暗的油灯光点亮了整个房间。爱迪生少年时代就展示了他的商业才能,十二岁的他利用自己在火车上卖报的钱在底特律开了两家小店,并雇用两个少年帮他看店约定和他们共同分享红利。然而爱迪生与电结上不解之缘则起因于一次见义勇为——他勇敢地救下了铁路站站长的儿子,作为报答,站长教了他电报技术并让他成为电报技术员。因为在电报局是上夜班,而上级要求每个小时必须给对岸发一次电报,为了能够偷懒睡觉,爱迪生于是做了一种自动定时发报的机器,后果是他被发现上班时间睡觉而解职然后被迫流浪,在一些电信电报公司之间游荡。后来回家后经朋友推荐重新找到了一份电信技工的工作,在波士顿他有了人生的第一个发明——一台会显示“Yes”和“No”的自动表决器,获得了生平第一项专利权。从此,爱迪生开始了他的发明人生路。

1869年爱迪生和朋友联合设立“波普-爱迪生公司”,专门制造和改良一些事务机器,如黄金行情显示器,股票行情显示器,金价印刷机等等。他的第一桶金是转让专利的四万美金,这笔巨大的收入让他在1876年成立了自己的制造工厂——新泽西“梦罗园”(门罗公园)工厂,也就是人们常说的“爱迪生发明工厂”。以爱迪生为首的一群青年科学家开始实现他们的发明之梦。他们的主要发明有:1)同步发报机。早期的发报机一次只能传递一个讯息,爱迪生作为一个电报技师把传统发报机改良成了二重发报机,随后又改进成四重发报机,成功实现了同步发报;2)改良电话机。人们熟知电话是贝尔发明的,事实上不完全如此,因为爱迪生的电话专利申请仅仅比贝尔晚递交两个小时而失去了专利权。电话之所以能够大规模地使用,关键在于爱迪生在1877年发明了能够清晰收发语音的碳粉送话器以及声波分析谐振器,否则人们能听到的只是一片沙沙的噪音。同年爱迪生也申请了三项笔类的发明专利:穿孔笔、气动铁笔和普通铁笔;3)留声机。这是爱迪生最为心爱的发明之一。1877年底,“梦罗园”实验室实现了人类有史以来的第一次录音,是一首儿歌。后来经过十几年的不断改进,留声机由滚筒式改成了胶木唱盘式,就是我们熟知的经典唱片机;4)复印机。爱迪生发明过石蜡纸,起初只用于一些食品包装,后来他发现用石蜡刻字纸版可以用于油墨印刷。1876年,爱迪生开始批量生产他的复印机,广受学校和政府事业单位的欢迎;5)电灯。1878年爱迪生开始着手解决电照明的问题。他从改革弧光灯(当时巴黎的一种电照明装置)着手,试图改进为白光灯。 为此最重要的就是找到物美价廉的灯丝,这种灯丝要在2000oC下耐住近1000小时。起初他用碳化物质如竹棉、石墨等试验,后又改用高熔点的铂铱合金,又尝试了一千多种其他材料,但都失败了。后来他的助手们发现把炽热的灯丝密封在真空环境里可以保持较长的寿命,于是爱迪生又回到碳质灯丝上来。三年里几乎每天都工作十八九个小时,终于在1880年找到了可以点亮1200小时的碳化竹丝材料。同年爱迪生还研究过直升机,发明磁力筛矿器,并在1891年改进成“爱迪生选矿机”,开始自行经营采矿事业。1880年5月第一艘用电灯照明的“哥伦比亚”号轮船试航成功,12月爱迪生在纽约成立爱迪生电力照明公司,次年在第五大街设立总部并成立工厂。直到1908年,多孔脆弱强度低的碳化竹丝才被强度大的钨丝替代,这类白炽灯一直沿用至今;6)1882年,爱迪生发明电流三线分布制,建立了第一家输电公司,不仅为千家万户带来了电的光明也为电力工业化进程奠定了基础。同年他还发现在近真空状态下,电流可以在不相互接触的电线之间通过,称之为爱迪生效应。后人发明真空电子管便是基于此原理,真空管的发明开启了电子信息时代;7)电影。1891年,爱迪生获得活动电影放映机的专利,并在5月向公众展示了活动电影视镜。1893年他们建立起了世界上第一座电影“摄影棚”,次年在纽约有了第一家活动电影放映影院。1903年爱迪生的公司制作了第一部故事片《列车抢劫》。1912年成功发明了有声电影,影像和声音媒体时代来临;8)新型蓄电池。最早的蓄电池是伏打电堆化学蓄电池,爱迪生后来研制了碱性蓄电池。1902年第一台蓄电池动力车试验成功,1909年成功发明了可提供源动力的蓄电池,同年研制出了传真电报;9)1915—1918年第一次世界大战期间,爱迪生还发明过少军事装置,如鱼雷机械装置,喷火器和水底潜望镜等;10)爱迪生最受争议的发明是电椅。由于当时认识的局限,爱迪生只信任直流电而强烈批评交流电,认为使用交流电非常危险。而实际上交流电更适合于远距离传输,是更为经济合理的电力。爱迪生和他的支持者们为了打击对手,决定把交流电和死亡联系到一起,他们曾在公众面前表演交流电如何电死各种动物。在1888年,纽约州政府同意给死囚实行电刑,并又爱迪生实验室制作了第一把电椅。1890年第一个被电刑处决的死囚死的并不顺利,反复的电击把他烧的焦臭无比,让人们对电刑带来恐惧和不安。后来美国才以毒气和注射的方式进行处决死囚。遗憾的是,爱迪生始终顽固地坚持不用交流电,最终他的公司每况愈下。后来摩根把汤姆休斯顿公司和爱迪生照明公司合并成了通用电气公司。1931年10月18日,爱迪生在西奥伦治逝世,享年84岁,为了悼念这位伟大的发明家,10月21日全美熄灭了他发明的电灯。

爱迪生的故事告诉我们:1、不要轻易地判断一个孩子的智慧高低和前途的好坏,哪怕他只上过几个月的小学;2、胸中有问题(好奇心)、喜欢问问题(好学心)、善于解决问题(探究心)是作为一个科学家的向前发展的最大潜力;3、天才离不开99%的勤奋与汗水,但有时更需要的是那1%的灵感;4、人生短暂,只争朝夕,要利用有限的时间作出无限的事业才能获得最大的成功;5、即使是权威也有失误的时候,对待新事物不应只是排斥,而是经过试验考证后尝试去接受甚至改进它,为我所用才能让自己走的更远。

理论物理大侠麦克斯韦James Clerk Maxwell,1831~1879)。和前两位大侠风格不同,麦克斯韦是典型的好出身、优质教育加聪颖的头脑。麦克斯韦有个做律师的父亲,他的教育经历是爱丁堡中学和爱丁堡大学以及著名的剑桥大学三一学院——那是伟大的牛顿工作过的地方,有着那颗激发智慧的苹果树。麦克斯韦的主要成就是系统完善地阐述了经典电磁理论,庞大而复杂的电磁学现象被他归纳为简洁的四个微积分方程——麦克斯韦方程组,这个方程组被认为是物理学最优美的公式;他还创立了统计物理学,提出了许多统计物理概念和理想实验,其中包括传奇的麦克斯韦妖;他在英国建立起了卡文迪许实验室并担任第一任实验室主任,该实验室至今还是世界上著名的科学研究中心之一。

麦克斯韦1831年出生于苏格兰爱丁堡,这一年法拉第发现了电磁感应现象,似乎暗示着这他们人生之间存在密切关联。孩童时的麦克斯韦同样是个勤学好问的小家伙,和爱迪生不同的是麦克斯韦父亲及其他长辈会耐心给他解释,虽然很多时候都会被他古怪的问题难倒。老麦克斯韦发现儿子对自然科学很感兴趣,就经常带着他一起去参加他也喜欢的爱丁堡皇家学会科学讲座。麦克斯韦八岁那年母亲因患肺结核不幸去世,父亲就成了他相依为命的唯一亲人。就读爱丁堡中学时,时常因为他奇怪的乡下土音以及父亲做的奇怪衣服而惹老师和同学们嘲笑,麦克斯韦就经常独自一人躲在角落里读歌谣看图画演算数学题。直到一次全校数学和诗歌比赛,两项第一名都由同一个人获得,他就是不起眼的麦克斯韦。从此同学和老师都对他刮目相看,作为优等生麦克斯韦获得了大家的尊敬和仰慕,他的数学天赋也在父亲的认真教导下渐渐崭露头角。14岁的麦克斯韦就在《爱丁堡皇家学会学报》上发表了一篇关于二次曲线几何作图的数学论文,他的方法甚至比当年数学大师笛卡尔的方法还要简便一些。麦克斯韦还有一大特长就是诗歌写的好,时常被同学们传抄朗诵。他还喜欢玩陀螺并非常乐意教朋友们玩。诗歌和陀螺成了他毕生的两大爱好。随后麦克斯韦考上了苏格兰最高学府爱丁堡大学,在这里他的数学和物理学知识得到了进一步的丰富。

为进一步深造,麦克斯韦在1850年来到了英国最好的学府之一剑桥大学就读。这里,有牛顿也有达尔文的足迹。而麦克斯韦正是在三一学院遇到了伯乐名师——数学家霍普金斯,从此引领他走上了数学物理之路。起因于霍普金斯要到图书馆借一本数学专著,却被告知刚被人借走。因为这是一本非常难读懂的数学论著,霍普金斯好奇地找到的借书人——麦克斯韦,发现他正在埋头做凌乱不堪的笔记摘抄。于是霍普金斯笑了:“年轻人,如果没有秩序,你永远成不了优秀的数学物理学家!”从此麦克斯韦投入霍普金斯门下做研究生。这是一个高手如云的门派,霍普金斯先后培养出了物理学家威廉.汤姆逊也就是开尔文勋爵和数学家斯托克斯。麦克斯韦在霍普金斯的教导下养成了严格细致的学习习惯,并在师兄斯托克斯的带领下迅速掌握了当时先进的数学方法,成为霍普金斯的又一令他自豪的高徒。23岁的麦克斯韦在师兄斯托克斯的主持下参加了数学学位考试,考题是关于曲面积分和线积分——一个当年斯托克斯刚刚发现的定理(这个定理也是麦克斯韦方程组的数学基础之一),麦克斯韦获得了优等第二,并在这一年开始对电磁学产生了浓厚的兴趣。在阅读法拉第的《电学实验研究》和跟师兄威廉.汤姆逊的物理讨论后,麦克斯韦开始试图用数学的语言来描述法拉第的实验结果。24岁时麦克斯韦发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的力线》,他用一个矢量微分方程成功描述了法拉第关于场力线的学说。1856年麦克斯韦父亲病逝,他此前为了照顾父亲而选择了离家较近的阿伯丁工作,在那里做了四年的物理学讲座,期间他经常给法拉第写信探讨电磁学的奥秘。28岁那年,麦克斯韦全家搬到了伦敦,他开始在伦敦皇家学院任教。在这里,他特地拜访了比他大40岁的法拉第,两人进行了非常愉快而热烈的会谈,理论和实验的碰撞激发了灵感和智慧的火花。法拉第的鼓励让麦克斯韦树立起了更大的信心,麦克斯韦试图建立一个“以太模型”对法拉第力线的概念进一步探讨。麦克斯韦通过研究发现,电场变化下的电介质中确实存在“位移电流”,其速度几乎等于光速,并发表了第二篇电磁学论文《论物理学的力线》。这篇划时代的论文基于法拉第的力线观点,从理论上引申和发展了电的传播特性。此后麦克斯韦意识到位移电流的物理含义在于变化的磁场可以产生电场,而变化的电场也可以产生磁场,这正是对电磁感应现象的理论解释!据此,麦克斯韦推到出了两个微积分方程式,后人总结为“麦克斯韦方程组”。位移电流的概念实际就是电磁波的预言,1865年麦克斯韦在第三篇电磁学论文《电磁场动力学》中用数学方法完美论证了电磁波的存在,并根据电磁波传播速度为光速而大胆猜测光也是一种电磁波,这一推测大大推进了人们对光的本质的认识。1873年麦克斯韦完成了《电磁学通论》一书,经典电磁学的研究从库仑、高斯、欧姆、安培、毕奥、萨伐尔、法拉第等前人丰富的实验成果和简单理论模型终于走向了大厦落成的一天。只是遗憾的是麦克斯韦超越时代的观点并不被广泛接受,尽管观念非常新奇而令人激动,但它的数学和物理内涵却是高深难懂的。直到1888年赫兹用实验验 证了电磁波的存在,而且和光一样具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等性质,测定出的频率和波长直接确定了其传播速度等于光速,即证明光也是一种电磁波。之后,人们才意识到麦克斯韦的工作是继牛顿力学之后最伟大的数学物理成就。麦克斯韦把人生最后数年岁月的心血倾注到了英国卡文迪许实验室的建设上,他参与设计建造实验室,负责整理卡文迪许的手稿资料,并担任了第一任实验室主任。卡文迪许实验室后期的几位实验室主任都是物理学界的泰斗,他们是瑞利(发现光的散射模型)、约瑟夫.汤姆逊(发现电子)和卢瑟福(发现原子内部结构)。1879年11月5日,麦克斯韦因患癌症去世,年仅49岁。麦克斯韦的研究揭示了电、磁、光三者的本质联系,是物理学史上最为重要的进展之一。

除了电磁学的伟大贡献之外,在统计力学方面麦克斯韦也作出了非常重要的贡献,他是气体动理论的创始人之一。1859年他提出麦克斯韦速度分布律,1866年他给出了气体分子按速度分布函数的推导方法并引入驰豫时间的概念,发展了气体输运理论。为了批驳“热寂论”(宇宙将因熵趋于无穷大而陷入死亡般的冷寂),麦克斯韦还提出一个无影无形的妖精——“麦克斯韦妖”的概念。即在两个充满一样平衡无序气体的相邻箱子中间有个小妖精,他具有极高的智能,能够追踪气体分子的运动并判断其速率大小。通过控制箱子之间隔断的门,麦克斯韦妖可以让速率高的分子跑到一边,而速率低的分子跑到另一边。这样小妖精就在不消耗功的前提下使得两个箱子的分子平均动能就不一样了,有序的分子动能分布也就产生了温差。这看上去打破了热力学第二定律,实际上这是一个耗散结构的雏形。妖精虽然没有做功,但是他获得了关于分子运动能量的信息,如果把信息也看成是一种能量的话,那么整个过程还是能量守恒的。最近,日本物理学家佐野等人用可以顺时针或逆时针旋转的纳米级聚苯乙烯粒子实现了“麦克斯韦妖”理想实验。他们把纳米粒子放入缓冲溶液中并加上变化的电场,使它越来越难逆时针旋转,即制造出了“旋转楼梯”——顺时针的“掉落”要比逆时针的“攀登”更容易。他们观测粒子的移动,并在它随机逆时针旋转时调整电场让它不再顺时针旋转回去,这样粒子就在电场的诱导下不断“爬楼梯”,而整个过程无须注入更多的能量,维持粒子持续逆时针旋转的能量来源于它提供的信息,这就是“麦克斯韦妖”的现实版。如果能在未来将这项技术用于驱动纳米机器或者分子马达,那么人类的生产和生活必然发生翻天覆地的变化。

麦克斯韦的故事告诉我们:1、良好的家庭出身和良好的教育固然有非常大的帮助,但自身享受学习的乐趣并不畏惧世俗的眼光才是成功的秘诀;2、伯乐识得千里马,名师常可出高徒,加入高端门派会直接抬升你的起点,如果你有足够的能力的话;3、物理学理论离不开实验基础,但好的理论不应仅仅是解释已有实验现象,还要预言新的实验现象;4、是金子,无论何时何地都能发光,要对自己的理论有信心;5、发论文贵不在多,而在于精,成为经典的论文定会被永世传颂;6、某些科学家虽然不再把精力放在科研上了,但他在其他如建设实验室、培养人才等方面的贡献也能影响久远;7、科学是可以大胆假设的,适当的理想实验和设想可以突破认识的樊篱,也可能就是未来的现实;8、表达自然之美可以很简单,简单的背后是无限深刻的内涵,世界永远充满无尽的奇妙。

实验、理论和应用可谓是物理学传统的“三大门派”,法拉第、爱迪生和麦克斯韦无疑是当年最出色的门派掌门人。完整的物理学,离不开精细准确的实验、系统完备的理论和聪明灵巧的应用。实验给出物理现象和事实,理论给出现象的解释和概念的延伸,而应用则是把物理融入现实的生活。如果缺少实验结果,那任何理论都是空中楼阁,应用更是无从谈起;如果缺少了理论解释和模型,那实验结果将无法清除认识,应用也是盲人摸象;如果缺少了应用推广,那实验和理论都只是部分科学家的空谈,科研的投入除了满足好奇心之外别无它用,生产力也将停滞不前。让我们认真学习“电磁三侠”吧,仔细思考在今天的物理天下如何行走江湖!