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。法拉第把這種曲線稱為力線。他進一步用實驗證明,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。他在裏麵寫道:“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(我認為可以把它叫做磁場是逐漸地從磁體傳播開去的。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一百多年,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,蘋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。
我們中國有句俗語:曲高和寡。世界上許多偉大的科學預言,在出現的最開始都被人當作奇談怪論,很少有人接受。法拉第的新思想,由於缺乏嚴密的論證,起初也引起許多研究者的懷疑。
但是有兩位年輕有為的英國物理學家,為法拉第的新穎觀點所吸引。他們一個是格拉斯哥的威廉,湯姆生,即後來著名的開爾文勳爵;另一個是劍橋大學的麥克斯韋。
湯姆生是一個神童,20歲大學畢業,首先選擇了電磁學當進軍的目標,雖說熱力學也在他的視野範圍之內,然而自從法拉第在1831年發現電磁感應以後,湯姆生受到強烈的吸引。他十分羨慕法拉第的成就,尤其是對法拉第關於電力線和磁力線的思想很感興趣。湯姆生掌握了數學工具之後,更覺得電磁學是個大有可為的領域,躍躍欲試。
1845年初夏,湯姆生從法國回到劍橋大學,參加了英國科學協會的會議,出席這次會議的都是著名學者,包括法拉第、焦耳這樣一些世界第一流的大科學家。會上,他正好和法拉第坐在一起,並進行了交談。當時,法拉第從皮包裏取出自己寫的一本電學專著《電學實驗研究》遞給湯姆生,建議他抽空一讀。湯姆生當時很想提出來同法拉第合作,他猶豫了一下,沒說出自己的想法。法拉第那時已54歲,久病初愈,剛恢複研究工作。他雖然賞識湯姆生的才能,也沒有想到這個21歲的後生是最理想的助手。所以,盡管他們探索的目標是共同的,特別是湯姆生又精通數學,卻失之交臂,沒有能夠攜起手來。想來是十分遺憾的。
以後,湯姆生有好幾次想把自己對電磁的研究總結成理論性的東西,但都沒有成功,1846年11月他擔任教授職務後還悉心研究電學,並很有進展,還用數學方法對電磁力的性質作了有益的探討。他還試圖用數學公式把電力和磁力統一起來,這的確是一個天才的設想。實際上,他已經走到了電磁理論的邊緣,隻要再向前邁一步,就能夠發現真理。
可惜的是他後來沒有把這個研究進行到底。因而建立電磁理論的桂冠,就隻好讓麥克斯韋來戴了。
麥克斯韋出生於18幻年11月13日。1854年,23歲的麥克斯韋大學畢業,留在母校劍橋大學任教。不久,他讀到了法拉第的《電學實驗研究》,馬上被書中的新穎的實驗和見解吸引住了。當時,學術界對法拉第的學說看法不一致,有不少非議。主要原因是“超距作用”的傳統觀念影響還很深,牛頓力學的大廈動搖了,但是並沒有倒塌;同時,也因為法拉第的學說在理論上還不夠嚴謹。作為實驗大師,法拉第是舉世無雙的,但是由於沒有受過正規的高等教育,唯獨數學功夫不夠,他的創見都是用直觀的形式表達的,一般的理論物理學家都不承認法拉第的學說,認為它不過是一些實驗記錄。
然而麥克斯韋受到湯姆生的影響,相信法拉第學說中包含著真理。他在認真研究了法雄第的著作以後,省悟出力線思想的寶貴價值,也看到了法拉第定性表達的弱點。這個初出茅廬的青年科學家決心用數學來彌補這一點。
一年之後,24歲的麥克斯韋發表了《論法拉第的力線》,這是第一篇關於電磁學的論文。在論文中,他通過數學方法,把電流周圍存在力線這一現象,概括成一個高等數學裏的矢量偏微分方程。這位後起之秀接過了偉大先驅者法拉第手中的火炬,開始向電磁領域的製高點挺進。
1860年夏,麥克斯韋因故來到倫敦皇家學院任教,時年28歲。這次工作的變動,是他一生事業的轉折點。
麥克斯韋對法拉第仰望已久,早在阿伯丁教書的四年時間裏,他就一直想用數學公式表達法拉第的學說,他經常給法拉第寫信,探索電磁的奧秘。當他到達倫敦後特去拜訪了法拉第。這是一次難忘的會晤,法拉第已年近七旬,兩鬢斑白。他和麥克斯韋一見如故,親切地交談起來。
法拉第4年前曾稱讚過《論法拉第的力線》這篇論文,他沒有想到論文的作者竟是如此的年輕。當麥克斯韋征求他對論文的看法時,法拉第說:“我不認為自己的學說一定是真理,但是隻有你才是真正理解它的人。”
據說麥克斯韋請求法拉第指出論文有何不足。法拉第稱讚這是一篇相當優秀的論文。“但是,你不應該停留在用學來解釋我的觀點,”這位大師沉思道,“你應該更深層地把它突破!”
法拉第的話猶如一盞明燈,照亮了青年物理學家麥克斯韋前進的道路。他立即用最大的熱情投入新的戰鬥。
1862年,麥克斯韋在英國《哲學雜誌》4卷23期上,發表了第二篇電磁學論文《論物理學的力線》。這是一篇劃時代的論文,它同1855年的《論法拉第的力線》相比,有了質的飛躍。論文不再是法拉第觀點的單純的數學解釋,而是對法拉第的觀點作了重大的引申和發展。其中具有決定意義的一步,是引進了“位移電流”的概念。麥克斯韋分析了法拉第對電介質的研究以後,確認在電場變化著的電介質中,電流也存在,他把這稱為“位移電流”,另外,他還計算出這種電流的速度正好等於光速!這一驚人的“巧合”中,包含著神奇而偉大的內在聯係。