1845年春天,法拉第的身體已經完全康複,重新回到了他心愛的實驗室工作,這時他已經是54歲的老將了。
按照一般說法,一個科學家最能夠出成果的年齡在25歲至45歲之間,其人生的黃金時代似乎已經過去了。
然而事實正好相反,法拉第一生最重要的貢獻,就是在這個時期完成的。年齡並不是科學發明的決定因素,最關鍵的是在於永遠保持旺盛的鬥誌和孜孜不倦的探索精神。
法拉第克服了由於年齡帶來的衰弱,精神越來越好,他向著最高峰繼續攀登。
法拉第很早就抱定一種想法,認為光和電磁現象有內在聯係。那個時候電磁理論還沒有建立起來,能夠有這樣天才的設想,的確使人大為驚異。
這大概要歸功於法拉第的科學信念和哲學思想。法拉第有一個十分堅定的信念,他確信世界是統一、和諧的,無論是電、磁、光、熱還是引力,都應當存在著密切的聯係。
電磁的統一已經證實這一信念,那神奇的光呢?
當年法拉第跟隨戴維遊曆意大利時,觀看過一位名叫莫裏契尼的意大利科學家做的實驗。
莫裏契尼用一個碩大的凸透鏡,把陽光聚焦到一枚鋼針上,想借助陽光的力量使鋼針磁化。
實驗最後失敗了。然而,這位名氣雖然不大的莫裏契尼卻給青年法拉第留下了深刻的印象。時隔30年,此事仍然曆曆在目。
法拉第決心尋找電磁現象和光的關係。他采用的是他最拿手的辦法,實驗。
首先,法拉第用電解質即酸、堿、鹽的水溶液來實驗。法拉第把這些透明導電的電解質放在兩個電極之間,給電極加上很高的電壓,然後讓一束偏振光通過這個電解質。
結果對偏振光並沒有產生什麼影響,實驗失敗了。法拉第把導電的電解質換成不導電的電解質,諸如鬆脂、水晶、冰洲石等,他一一試過,全都失敗了。
實際上,電場對光的影響是存在的。或許是因為法拉第的實驗條件沒有到位,所以沒有檢測出來。他所預言的效應,30年後由英國物理學家克爾發現。
法拉第並不因這些失敗而氣餒。他另辟蹊徑,決定改用磁場做實驗,試圖證實磁對光的影響。如此就能證明莫裏契尼未能實現的推斷:光和磁有聯係。
法拉第把一塊玻璃放在電磁鐵的兩極間,然後用一束偏振光沿著磁力作用的方向透過玻璃,可惜的是,並未發現磁場對透過玻璃的偏振光有什麼影響。
法拉第把玻璃換成許多種其他透明體來試,也同樣沒有什麼結果。
“這是為什麼,也許需要另一種東西。”法拉第思忖著。
他在實驗室內來回地踱著步,思考著,無意中他發現屋角擱著一塊長方形重玻璃。這塊玻璃是他15年前試製的產品,閑置至今,從來沒有用過。
隨之,法拉第把這塊重玻璃放在電磁鐵的兩極之間,然後用一束偏振光沿著磁力作用的方向透過玻璃,光線在磁力的作用下,它的振動麵果然偏轉了一個角度!
由於重玻璃的折射率大,這種偏轉終於被檢測出來。法拉第多次進行了同樣的試驗,都得到了同樣的結果,磁力越強,偏轉角度越大。這就是有名的磁致旋光效應,是法拉第對電磁學又一大功勞。
這個發現的時間是1845年9月13日。
法拉第在實驗日記裏寫道:如此一來,磁力和光有相互關係就得到了證明!這一事實對於這兩種狀態的自然力的研究,很可能具有巨大的價值,由此也可能產生極其豐碩的成果。
法拉第的這一成功對他有很大的啟發。他又回過頭來,把幾年以前研究過的各種介質放進兩個電磁之間,做同樣的實驗。
他的設想是:可能其他物質也應該和玻璃有相同的反應。他使用的是一個比以前強大得多的電磁鐵。
出乎法拉第意料的是,在實驗過程中,法拉第發現了一個新奇的現象。他把一根玻璃棒放進磁鐵兩極間,玻璃棒居然表現出對磁力作用的反抗,停在同磁力垂直的方向上。
這就是說:磁不但對磁性金屬有作用,對其他材料也有作用,不同的隻是前者順著磁力方向,後者卻正好相反。
法拉第又驚又喜,他立即用一根鋼棒做實驗,銅棒也停在同磁力垂直的方向上,紋絲不動。
法拉第又用木塊代替銅棒,都是同樣結果,他把身邊所有的東西全都放進兩個磁極之間,一一進行試驗。發現全部物質對磁力都有反應,其中大多數都表現為抗磁性。
法拉第全神貫注地做著實驗,把吃晚飯的時間也忘記了。妻子莎拉隻好把晚飯給他送到實驗室來。
當莎拉推開實驗室的門,發現法拉第正埋頭在一堆亂物中忙著,眼裏不由流露出溫和的責備,催促他趕快吃飯。
法拉第見妻子從籃子裏拿出一塊麵包和牛排,十分高興。莎拉還沒有反應過來,法拉第已經把麵包用一根細線懸掛起來,把麵包放進兩個磁極之間。
麵包猶如受過專門訓練一樣,一動不動地停立在磁力交叉的方向上。法拉第朝著妻子眨眨眼睛,笑了笑,接著又用牛排做試驗,取得同樣的結果。
法拉第夫人看著他的表演,簡直哭笑不得。實際上根據法拉第當時的心情,如果不是因為磁鐵不夠大,恐怕連他夫人也會被吊起來,送進磁極之間去作一番檢驗,因為他確信人體也是反磁體。
由於磁致旋光效應和抗磁性這兩項重大發現,1846年法拉第榮獲倫福德獎章和皇家獎章。
在英國皇家學會的曆史上,很少有人同時得到這兩枚獎章,即使戴維也沒有獲得過如此殊榮。
法拉第的天才和偉績,給他帶來了十分高的榮譽。然而他關心的並非榮譽,而是科學的理想。
敢於提出新學說
磁致旋光效應和抗磁性的發現,使法拉第受到很大啟發,一個嶄新的思想終於脫穎而出。
當時,“超距作用”的觀念十分流行。牛頓曾經為超距觀念苦惱過,但是最終他還是采用了超距的說法。
100多年來,牛頓力學成了物理學的權威。“超距作用”觀念不但支配了天體力學,也使電磁學受到很大影響。
牛頓的影響實在太大了。科學家們普遍認為,力的傳遞是即時而超距的,也就是說不管傳遞多遠都不需要時間,一個電荷或者磁極周圍的空間,除了距離以外,一無所有,連法國的電學大師安培、庫侖,也持同樣觀點。
庫侖曾於1784年發現電荷相互作用的定律,這一定律後來被稱做庫侖定律,其形式和牛頓萬有引力公式完全一樣:與電量大小成正比,與距離平方成反比。
因而從一開始,電學就理所當然地被納入牛頓力學的軌道。“超距作用”的觀念自然成為流行的觀念。
法拉第並不隨波逐流,他對法國同行們的成功十分的佩服,但對他們的思路卻不願盲目信從。
法拉第從自己的大量實驗事實出發,對“超距觀念”提出了懷疑。他相信物質到處存在,沒有不被物質占有的中空地帶,因此電力和磁力不能憑空隨意傳遞。
這個思想,法拉第醞釀了十幾年,在沒有找到充分的實驗證據以前,他不願意草率匆忙地把自己的科學假設公布於眾。
摧毀舊學說,需要新的武器,法拉第現在終於找到了這種武器,那就是傑出的“力線”概念。
法拉第把鐵粉撒在磁鐵周圍,鐵粉立刻呈現出有規則的曲線,從一個磁極到另一個磁極,接連不斷,他把這種曲線稱為力線。
法拉第進一步用實驗證明,這種力線不單單具有幾何的性質,同時具有物理性質,導線裏感應電流的大小,完全取決於導線截割磁力線的數目,而同導線的移動位置絲毫不相關聯。換句話說,磁力線越密的地方,磁的強度越大。
用這種全新的眼光來觀察,電荷或者磁極周圍的空間不再是一無所有,而是布滿了向各個方向散發出去的力線,電荷或者磁極便是力線的起點。
從這一事實出發,法拉第在物理學上第一次提出“場”的概念。他把布滿磁力線的空間稱做磁場,而磁力便是通過連續的場傳遞的。牛頓力學“超距作用”的神聖殿堂就如此被動搖了。
法拉第力線觀念的建立,看起來不像發現電磁感應那樣富於戲劇性,然而它在電磁學上的意義卻是深遠的。
這是深思熟慮的碩果。早在1832年,也就是法拉第發現電磁感應的第二年,他在寫給皇家學會的名為《新觀點》的一封密封函裏就闡述了這一天才的思想。
法拉第寫道:
磁作用的傳播需要時間,也就是當一塊磁鐵作用於另一塊遠處的磁鐵或者一塊鐵時,產生作用的原因是逐漸地從磁體傳播開去的。
我認為可以把它叫做磁場。這種傳播需要一定的時間,而這個時間顯然是非常短的。
我還認為,電感應也是這樣傳播的,磁力從磁極向外傳播類似於起波紋的水麵的振動,或者像聲音傳播的空氣振動。
也就是說,我傾向於認為,振動理論可以用於電和磁的現象,正像它適用於聲音,同時也很可能適用於光。
法拉第的這封密信,在皇家學會的文件櫃裏沉睡了100多年,直到1938年才被後人發現啟封。
在這封信中他預言了電感應和磁感應以波的形式向外傳播,暗示了電磁波存在的可能,還以非凡的洞察力預見了光可能是一種電磁振動的傳播。
這實在是天才的預言!它猶如一顆耀眼閃光的鑽石,即使封在塵埃裏也無法遮住那奪目的光芒。
連法拉第本人也感覺到這一點。謹慎地沉默了14年後,他再也忍不住了,密封信裏的“新觀點”終於脫穎而出。
1846年,法拉第根據力線這一嶄新的思想,明確提出了光的電磁學。他在《哲學雜誌》上發表了論文《關於輻射線振動的思考》。
這是法拉第全部科學著作中的瑰寶,其光彩直到若幹年以後才被人們發現。
在這篇論文裏,法拉第定性地提出,電力線和磁力線的振動,就可以產生光和其他輻射現象。一個革命性的、使人耳目一新的學說,就如此產生了。