《大话物理——旅行到时与光的尽头》
第6节

作者: 一朵熊ss
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  日期:2014-10-03 21:08:34

  而这一切与光的身份又有什么关系呢?
  别着急,让我们先来看看英国化学先驱戴维爵士这一生最伟大的发现——法拉第——发现了什么。“通电金属导线会使其附近的小磁针发生偏转”,1821年,法拉第在奥斯特从哥本哈根传来的实验报告的启发下,进一步推断:既然电流中暗藏着磁性,那么磁体中自然也应该含有某种电性质;然而,直到1831年他才设计出证明这一猜想的一系列经典实验。例一:在两块磁铁的南北极之间将一绕有金属线圈的铁棒与电流计相连接,只有当铁棒脱离或穿入两极的瞬间,电流计的指针才会发生偏转。例二:将线圈与电流计直接相连,然后令一磁棒迅速插入或拔出线圈,电流计的指针也会发生短暂偏移。

  十年间,欧洲许多大科学家——诸如:安培、菲涅耳、阿拉贡等等——都卯足了劲儿想要率先找出电与磁神秘关联的突破口,但最终唯有法拉第意识到,互动的关键在于“变化”——稳定的电流能带动小磁针,可是当且仅当磁体运动起来时,才会产生感应电流。据此原理,法拉第制造出了世界上第一台将动能转化为电能的发电机,这令他的学术声誉达到了同时代人难以企及的顶峰,但法拉第并没有就此止步,他明白,所谓的“电磁感应”不过是一条归纳性法则,而由其孕育的十万个为什么此刻正高悬于该现象上空:运动究竟是改变了什么因素从而创生出电流?依据安培早先的实验:“两根平行的金属导线当其中的电流同向时,它们互相吸引;反之,则互相排斥。”很明显,不论何种电流的周围都会产生磁效应,以此类推,运动的磁体产生电流再产生磁效应再产生电流……如是周而复始、岂非永无止境?

  凭借着异乎寻常的直觉,法拉第在脑海之中将原本抽象的规律一步步图像化,1844年,在皇家学院的报告会上,他第一次公开提出了“力线”的概念,如今这个名词对多数人来说已非常陌生,但说到它的样貌,相信每一个小学时上过自然课的孩子都仍记忆犹新:在白纸下面放置一块磁铁,然后往纸面轻轻撒上一层铁屑,你将看到铁屑乖乖地依照磁极的指示列成无数闭合曲线,这些曲线就是磁力线的化身,而这些磁力线共同构造出一个革命性的概念:“场”。法拉第认为,不论磁效应还是电效应皆需要以“场”的形式来表达自己。以磁效应为例:只要磁体存在,其周围就必定分布着磁场;但只有当导体在磁场中切割磁力线时才会产生电流,也就是说,当磁场随着时间的推移其形态发生某种变化时,才会孕生新的电场。同理,有电荷的地方就一定有电场,但定格于时空之中的电荷仅能带来最单纯的电场;而电流——顾名思义,导体中的电荷得“流动”起来才叫电流——周围的电场每分每秒都在变化,因此,它身边永远都有磁场相依相伴。

  磁力线
  密集恐惧者退散……HiaHia

  日期:2014-10-03 21:09:17
  但法拉第创造“力线”并不仅仅为了揭示电磁之间的微妙关联,他舞动画笔,将整个时空作为画布,如痴如醉地描绘着“场”的壮丽景象,就连气吞山河的万有引力在其卷轴之中也不过是那网格间翻滚摇曳的露珠。牛顿之后,所有人都相信力是建立在成对的物体之间,太阳与地球间的引力必须依赖彼此而存在;可如今,法拉第却放肆地宣称:即使把地球从轨道上摘去,太阳的引力将照旧以引力场的形式逍遥地散布在星空,换句话说,地球之所以被太阳吸引,牢牢抓住它的并不是太阳本身,而是太阳的质量于地球所处的位置用“力线”密密编织的“场”。同电磁场一样,虽然看不见、摸不着,引力场作为一种独立的实体是宇宙之歌里不可或缺的重要音符。

  多么震撼人心的构想!法拉第不仅才思敏捷,更有着艺术家般近乎疯狂的想象力,可惜由于缺乏严格的数学训练,他始终没能将自己关于“场”的假说用符号语言给出完整推导。时间一天天过去,随着电气化时代的逼近,法拉第这位电磁学的创始人之一、发电机与电动机的缔造者被世人奉入科学名人堂高高仰望,但他最伟大的发现却一直没有受到丝毫重视,眼看即将淹没于历史的尘埃之中。这时,能够领悟“力与场”之美的另一颗明净的心终于从大不列颠岛北端缓缓向他靠近……

  日期:2014-10-03 21:15:26
  与法拉第不同的是,詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)降生于爱丁堡,并在苏格兰西南部风景秀丽的格伦莱尔庄园渡过了无忧无虑的童年时光,父母皆是才华横溢的贵族后裔,他们把所有的心血都倾注到了这个年近四旬方生育的孩子身上,陪他游玩、陪他朗诵诗歌与小说、陪他一同排演戏剧……然而,梦幻般美好的岁月随着母亲的抱憾离世戛然中断。母亲弗朗西斯是个勇敢的女性,被诊断患有腹腔癌后,为了向死神争取更多的时间来照看心爱的丈夫和儿子,她选择了最为痛苦的治疗方案,在不施用麻『醉』剂的条件下接受手术,可惜手术没有成功。1839年,八岁的小詹姆斯生平第一次体尝到了红尘中的苦痛,但弗朗西斯对生活、对未知事物饱胀的热情却早已不知不觉灌注其胸怀,在以后的日子里将永远是他勘探真理迷宫的动力源泉。

  又过了十五年,麦克斯韦从家乡爱丁堡大学的物理系转战英格兰剑桥大学三一学院的数学系,并在持续七天、每天六小时、马拉松式的荣誉学位考试中以第二名的成绩获得了剑桥大学的留校资格,多年来信马由缰的思维漫步令他对各类稀奇古怪的问题——从卵形线的画法到餐盘中咸鱼眼睛对光线的聚焦再到土星环的构造——无不充满好奇,然而成为一名研究员后,他必须有所收束,将精力集中于兴趣最为浓厚的枝干,以期滋养出最为红硕的花果。短短一年间,麦克斯韦不仅核实了托马斯·杨被埋没许久的视觉三原色(红、绿、蓝)理论,并对看似纷繁无章的多重混色给出了一个清晰而简洁的数学公式;与此同时,他还着手准备踏入纵横交错的电磁王国一探究竟。

  日期:2014-10-04 22:35:33
  尽管人类接触这一领域的时间相对来说并不算长,但等到麦克斯韦立于这座神秘花园的琉璃影壁前,前辈的著作已然堆积如山,在形形色色的猜想之中,当他一眼望见法拉第的场论,便瞬息被那诡谲的迷思、狂傲的气势扣动心弦。因此,尽管麦克斯韦本人数学功底深厚,但他毅然决定:在洞彻法拉第的深邃思想之前,不参看其他任何有关电与磁的公式及模型。1955年,麦克斯韦在《论法拉第力线》一文中,另辟蹊径地将不可压缩流体的独特性状与电流进行类比,把“通量”、“环流”等概念引入电磁学,从而使抽象的法拉第 “力线”与具象的“流线”相互对应,这是人类借由算符关系式来捕捉电磁场的首次尝试。论文传到法拉第手中,他激动地回复道:“起初,听闻你打算就这一主题构造数学形式我简直被吓坏了,但后来我惊讶地发现,你把它处理得如此之好!”
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