迈克尔·法拉第

引言

迈克尔·法拉第是整个科学史上最卓越的人物之一。1791年，他出生于伦敦南部的一个贫困家庭，却完全依靠自身的求知热情、好奇心与坚毅，成长为世界有史以来最伟大的实验科学家之一。他除了最基础的启蒙教育之外没有接受过正规学校教育，也不具备大学教育的优势，更谈不上任何传统意义上的贵族庇护，然而他却彻底改变了我们对电、磁、化学以及物理实在本质的理解。他发现了电磁感应，这是现代世界中每一台发电机与变压器所依据的原理。他发明了第一台原始的电动机。他分离出了苯，液化了氯气，并为电化学奠定了基础性的工作。他发现了法拉第效应，这一磁光现象首次揭示了电磁与光之间的深刻联系。他还提出了场的概念，即电与磁的影响通过力线在空间中传播的思想，这一概念上的革命后来被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦表述为数学方程，构成了经典电动力学的基础。

法拉第的成就更加非凡，因为他主要是凭借双手与直觉、通过一丝不苟的实验以及一种近乎超常的、能够将自然界不可见图样加以可视化的能力而取得这些成就的。他在任何常规意义上都不是一位数学家。他无法自己写出麦克斯韦方程组。但他所形成的物理直觉、他所创造的概念框架、他所进行的实验演示，为麦克斯韦提供了构建完整电磁数学理论的原始材料。正因如此，法拉第的遗产直接延伸进入二十世纪及更远的时代，进入狭义相对论、量子电动力学以及现代粒子物理学的规范场论之中。

然而，尽管科学上如此伟大，法拉第终其一生都是一个极为谦逊、充满温情、怀有真诚宗教信仰的人。他是一个名为桑德曼派的小型基督教派的成员，该派强调简朴、平等以及与世俗野心的分离，这深刻地塑造了他的品格。他拒绝了爵士封号。他谢绝了皇家学会会长之职。他生活简朴，深切关爱妻子萨拉及其所属的社群，并且极为乐于向普通人，尤其是儿童，传播科学，这体现在他在皇家研究院享有盛誉的圣诞讲座之中。他的书信温暖而常常带着俏皮。他与学生和同事的关系以慷慨与鼓励为特征。在许多方面，他是科学在其最佳状态下所能呈现的写照：严谨、富于想象力，并且深具人性。

本文详细追溯法拉第的生平与工作，从他在纽因顿巴茨的卑微出身，到他在汉普顿宫一处恩赐住宅中度过的最后岁月，考察他主要的科学贡献、他的个人品格、他的宗教生活，以及他对物理科学和我们今天所居住的技术文明所产生的持久影响。

伦敦南部的早年生活

迈克尔·法拉第于1791年9月22日出生在纽因顿巴茨，这是位于伦敦南郊的一个村庄，今天属于萨瑟克区的一部分。当时该地区在很大程度上仍是半乡村性质，坐落在不断扩张的大都市边缘，其面貌混杂着菜园、驿站客栈和简陋的工人阶级住房。这里不是一个与科学发现或知识精致相联系的地方，法拉第出生时的境况中也没有任何迹象表明他有朝一日会改变人们对自然界的理解。

他的父亲詹姆斯·法拉第是一名铁匠，来自英格兰北部威斯特摩兰郡柯比斯蒂芬村的奥思吉尔，在该地区农村经济承受相当大压力的时期前往伦敦寻找工作。詹姆斯·法拉第身体并不强健；他在成年之后一直受慢性健康问题困扰，常常无法工作。这意味着这个家庭的经济状况始终岌岌可危。迈克尔的母亲玛格丽特·哈斯特韦尔也来自英格兰北部，她为这个家庭带来了务实的坚韧与温暖，这给她的儿子留下了持久的印象。迈克尔是四个孩子中的第三个，从很小的时候起，这个家庭就艰难地维持生计。

法拉第一家是桑德曼派信徒，这是一个由罗伯特·桑德曼在十八世纪创立的小型而诚挚的新教基督教派。伦敦的桑德曼派会众以巴恩斯伯里为基地，在迈克尔的整个童年以及他此后的一生中，它始终是法拉第家族社会生活与精神生活的核心。该教派的神学强调回归其成员所相信的早期基督教会的实践，注重简朴、社群内部的相互关怀，以及与世俗野心和炫耀的分离。这些价值观对法拉第具有形塑性的作用，不仅影响了他的个人伦理，也影响了他与那个时代科学与社会建制之间的关系。

在迈克尔还是个小孩子的时候，全家搬到了伦敦西区曼彻斯特广场附近的雅各布井马厩街，因为他的父亲要在更靠近市中心的地方寻找工作。迈克尔的大部分幼年时光就是在这处位于马车房之上的马厩住所里度过的。这个家庭贫穷到按他后来自己的回忆，有时候一条面包必须让他吃上一个星期。他在当地一所基础学校就读，接受了读、写、算的初等教学，但仅此而已。课程内容十分初浅，他接受正规学校教育的时间也很短暂。法拉第所能获得的一切智识滋养都必须来自别处。

法拉第从小确实拥有的，是一种永不满足的好奇心。他以一种在他那种境遇的孩子身上少见的强度观察周围的世界。他注意到各种事物：铁屑在磁铁附近排列的方式、街道上水流的图样、火焰与烟的行为。他提出一些没有明显实际价值、却又让他无法释怀的问题。这种专注而惊奇的注意力，这种拒绝仅仅接受表象、而要追问其背后是什么的态度，在他整个职业生涯中始终是他科学方法的决定性特征。

詹姆斯·法拉第于1810年去世，当时迈克尔十八岁，这使家庭的境况更加拮据。但到那时，迈克尔已经通过他的学徒生涯找到了那个将成为他真正教育场所的环境。

装订学徒生涯与自学

1804年，十三岁的迈克尔·法拉第开始为乔治·里博当跑腿童工，里博是一位法国流亡书商兼装订匠，他的店铺位于伦敦马里波恩区的布兰福德街。这是一个幸运的安排，因为里博是一位聪明而和善的人，他看出了自己这位年轻雇员头脑的非凡品质。做了一年跑腿童工之后，法拉第在里博的店里开始了为期七年的装订学徒生涯，这一安排后来被证明是科学史上最具深远影响的安排之一。

十九世纪初的装订工作是一门需要精确、耐心与手上灵巧的技艺。更为关键的是，它使法拉第每天都与各种各样的书籍亲密接触。在缝订书页、裁切修整纸板、粘贴皮革封面、为书脊烫金的同时，他读书。他如饥似渴地、不加选择地阅读，其投入程度远远超出随便翻阅。他在把那些作为装订原材料送到他手中的书送还给主人或放上里博的书架之前，就先读过了它们。

有两部著作尤其具有变革性的影响。第一部是《大英百科全书》第三版中关于电的条目。法拉第读得着迷，它在他心中唤起了对电学现象一种具体而持久的兴趣。他开始用自制的起电机进行简单实验，绕制线圈，并用瓶子制作简陋的莱顿瓶。他记录下自己观察到的现象，这一习惯在他余生中始终是其科学实践的核心。

第二部、也许影响更为深远的著作是简·马塞特于1806年出版的《化学对话》。马塞特夫人本身就是一位非凡的人物，她是一位出生于瑞士的科普作家，曾聆听汉弗莱·戴维在皇家研究院的讲座，并将其内容提炼成通俗易懂的对话形式。她的书把化学呈现为一个可以理解的、连贯的知识体系，围绕着那些细心而专注的读者所能把握的原理加以组织。对于少年法拉第而言，阅读此书是一次启示。它向他表明，自然的奥秘并非受过教育的精英的专有财产，任何有耐心、有纪律去仔细思考证据的人都可以理解它们。他后来以其一贯的慷慨，把这本书誉为他一生中最伟大的智识形塑影响之一。

法拉第还尽其所能地去听各种科学讲座。十九世纪初的伦敦有着活跃的公共科学教育文化，有各种机构向普通听众讲授自然哲学与化学。他参加了约翰·塔图姆举办的一系列自然哲学讲座，塔图姆是一位银匠，于1808年创立了一个名为城市哲学学会的哲学社团。法拉第最终成为该学会最活跃的成员之一，在学会上宣读论文，并磨练了自己清晰而有说服力地传达科学思想的能力。他对所听的讲座做了细致的笔记，工整地誊写下来，有时还把它们装订成小册子。

法拉第笔记的质量以及他对其内容钻研的深度，引起了里博一位顾客威廉·丹斯的注意，丹斯是皇家研究院的成员。1812年初，丹斯给了法拉第四张票，让他去听汉弗莱·戴维在皇家研究院的讲座。这些讲座将改变法拉第的一生。

在整个学徒期间，法拉第还培养出一种敏锐的、有纪律的观察意识。他学会了描述自己实际看到的东西，而不是自己期望看到的东西，这项技能听起来简单，却是实验科学中最困难也最宝贵的技能之一。他养成了定量关注的习惯，不仅记录某种效应是否发生，还记录它有多强、在什么条件下发生、是否随环境变化而改变。这些心智习惯是在一家装订店里多年自主学习中形成的，它们正是使法拉第成为有史以来最伟大实验家之一的真正教育。

结识汉弗莱·戴维

1812年，汉弗莱·戴维爵士正处于声望与能力的顶峰。他通过开创性地使用伏打电堆进行电解，发现了钠、钾、钙、镁、钡、锶和硼。他发现了一氧化二氮的麻醉性质。他发明了供矿工使用的戴维安全灯。他是欧洲最负盛名的科学家之一，他在皇家研究院的讲座吸引了大量伦敦上流社会人士。他的辞令天赋相当可观，他将科学演示与戏剧性的表现力结合起来，以各种方式吸引了各种背景的听众。

法拉第在1812年2月和3月听了戴维的四场讲座，并做了一丝不苟的笔记。随后他花时间用最工整的字迹把这些笔记誊写出来，加以注释、插图，装订成一卷，并将成品连同一封信呈送给戴维，信中表达了他的敬仰之情以及渴望以某种身份进入科学界的恳切愿望。这封信直率、热忱，完全没有虚假的谦逊。法拉第解释说，他一直在尽己所能地追随科学工作，而他最希望的就是摆脱商业世界，献身于自然哲学。他询问皇家研究院是否有任何职位可供他担任，无论多么卑微。

戴维起初态度含糊，告诉法拉第科学是一位严苛的女主人，而装订行业则是一个体面且有报酬的职业。但他显然也对法拉第笔记的质量印象深刻，这些笔记不仅表现出准确的记录，更表现出真正的理解和对内容的智性投入。几周后，一个机会出现了：皇家研究院的一名实验室助理因参与斗殴而被解雇。戴维想起了法拉第，并以每周二十五先令的薪水向他提供了化学助理的职位，另外还附带位于阿尔伯马尔街皇家研究院大楼阁楼的住所。法拉第立即接受，并于1813年3月1日开始工作。

法拉第与戴维之间的关系是科学史上最复杂、影响最深远的关系之一。戴维无疑才华横溢，法拉第在实际层面欠他巨大的恩情：若没有戴维的提携，他也许永远不会专业地进入科学界。但他们的关系从来都不轻松，尤其是在法拉第自身的能力显露之后。戴维于1812年娶的妻子简·阿普里斯毫不掩饰地以屈尊俯就的态度对待法拉第，视他为仆人而非科学同行，这种对待方式影响了家庭内部的氛围，使法拉第在许多场合处境尴尬。

他们关系中最痛苦的一段发生在1820年和1821年，当时法拉第关于电磁旋转的工作招致指控，说他剽窃了威廉·海德·沃拉斯顿与戴维的想法。戴维本人似乎相信，或者声称相信，法拉第对沃拉斯顿初步思考的亏欠超过了他所承认的程度。这场争端从未以公开的方式得到彻底解决，并在两人身上都留下了印记。1824年法拉第被提名为皇家学会会士时，戴维是唯一投反对票的人。尽管如此，法拉第始终以尊敬和感激之情谈论戴维，承认戴维在给予他起步机会方面所起的作用，即便私人关系复杂。

皇家研究院

大不列颠皇家研究院由本杰明·汤普森，即伦福德伯爵，于1799年创立，其宣称的宗旨是促进科学在生活日常目的中的应用。它位于梅费尔阿尔伯马尔街的院址是专门建造的科学研究与公共教育中心，设有讲演厅、实验室和图书馆。它从一开始就吸引了英国最杰出的一些科学头脑，在十九世纪头二十年汉弗莱·戴维的领导下，它成为全国首屈一指的实验科学中心。

法拉第几乎整个科学生涯都是在皇家研究院的墙内度过的。他于1813年作为初级实验室助理来到这里，直到十九世纪五十年代和六十年代健康恶化迫使他退休之前，他从未真正离开。他在这个机构中稳步晋升：从化学助理到院舍总管，再到实验室主任，最终成为1833年专门为他设立的富勒化学教授。他与这个机构的关系不仅是职业性的，几乎是家庭式的；他在那里住了许多年，那里是他的家、他的实验室、他的讲堂和他的社群。

皇家研究院为法拉第提供了他的出身曾使他无缘享有的东西：接触最精良的科学仪器、书籍、来访科学家，以及十九世纪初英国科学思想赖以流通的社会网络。它也给了他一个公共传播的平台。星期五晚间演讲的传统，即由一位科学家就当前感兴趣的主题作通俗讲演，后来与法拉第紧密相连，他在数十年间作了许多这样的讲演，并因其呈现复杂思想时的清晰与优雅而声名卓著。

这座建筑本身，连同戴维曾在其中使伦敦上流社会为之倾倒的著名讲演厅，也与法拉第自己的演示联系在一起，而他的演示如果说有什么不同的话，比他导师的更加令人印象深刻。法拉第在物理演示方面有着非凡的天赋。他能使不可见者变为可见，能设计出以毋庸置疑的清晰与戏剧性展示所描述现象的实验，并能用既精确又易懂的语言解释正在发生的事情。这些天赋的结合使他成为有史以来最有效的科学传播者之一。

在皇家研究院的职业生涯中，法拉第把实验室从一个相对简陋的设施建设成了世界上设备最精良的实验研究中心之一。他对仪器和材料的质量一丝不苟，对马虎毫无耐心，并坚持认真、可重复观察的重要性。他在整个职业生涯中以极大的细心维护的实验笔记本，是科学史上最卓越的文献之一，其中既有精确的定量记录，也有图画、反思，以及偶尔流露的困惑或兴奋的自白。

早期化学研究

法拉第在皇家研究院的最初几年主要从事化学研究，重要的是不要让他后来的电学工作掩盖其化学贡献的真正意义。在戴维的指导下以及后来独立地，法拉第在分析化学与应用化学方面作出了一系列重要发现与贡献，对任何不像他后来那样非凡的科学家来说，这些都足以确立一份可敬的科学声誉。

他最早也最重要的化学成就之一是1825年分离出苯。苯曾以粗制形式出现在照明用煤气（当时广泛用于街道照明）经压缩和储存后留下的残余物中。法拉第鉴别并分离出这种物质，他称之为氢的双碳化物，并相当准确地表征了它的性质。他测定了其碳氢比，并描述了其物理性质。该化合物后来于1833年由艾尔哈德·米切利希命名为苯，其结构式，即著名的六角环，则由弗里德里希·奥古斯特·凯库勒于1865年提出。法拉第由此发现了化学中最重要的有机化合物之一，这一化合物后来成为有机化学、染料化学以及后来的石油化工业的基础。

1823年，在戴维的指导下工作时，法拉第首次实现了氯气的液化，不久之后又液化了包括二氧化碳、二氧化硫和氨在内的若干其他气体。这项工作表明，气体远非在种类上与液体根本不同，而只是处于状态连续谱上不同点的物质，这是一项颇为重要的概念进展。它也具有实际意义，因为液化气体的生产后来在工业上变得重要。

法拉第还对钢合金进行了重要研究，他与一位名叫詹姆斯·斯托达特的刀具制造商合作，生产用于刀具和外科器械的改良钢材。这项工作涉及对合金成分的系统变化以及对所得性能的研究，是我们现在称之为材料科学的早期范例。虽然具体成果并未带来戏剧性的变革，但其方法在当时是先进的。

他还以其他方式对实用化学作出贡献，包括关于玻璃光学性质的研究，这项研究后来在他的磁光研究中意外派上了用场。他还研究了氮化合物的化学、商业产品中掺杂物的检测，以及工业化学的各种问题。这类应用性工作是皇家研究院职责的一部分，法拉第认真对待它，尽管他最深的热情始终在于基础科学问题而非实际应用，即便他从未轻视科学知识的实用价值。

他早期的化学生涯确立了他作为一位细心、娴熟且富于创新的实验家的地位。这也使他在材料、仪器和实验技术方面获得了实际基础，后来在他的电学研究中发挥了极好的作用。他的化学训练教会他以数量、当量和物质守恒的方式思考，这些思维习惯在他着手探索电解中的定量关系时被证明是无价之宝。

电磁旋转与电动机

1820年是电学史上关键的一年。那一年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特宣布了他的发现：流经导线的电流能使附近的磁罗盘指针偏转。这一看似简单的观察实际上是一个启示：它首次表明，此前被认为完全分离的电与磁，在某种根本的方式上是联系在一起的。这一消息迅速传遍欧洲科学界，各地的物理学家和自然哲学家开始探究其意义。

法拉第立刻被这个问题吸引住了。他在整个职业生涯中一直密切关注电学，奥斯特的发现在他看来是数十年来最重要的成果之一。1821年秋，一位朋友请他为一份科学期刊撰写一篇关于电磁学进展的历史综述。试图理解和解释已有发现的过程，使他非常仔细地思考了载流导线与磁体之间相互作用的几何形态。

当时安德烈–马里·安培和让–巴蒂斯特·毕奥等科学家对奥斯特效应的主流分析，是以沿着连接电流元与磁极的直线作用的力来处理它。法拉第以更几何化而非更数学化的方式思考，得出了不同的直觉。他将载流导线周围的磁场想象为以导线为中心的一圈圈力线，而不是指向导线或从导线发出的有向直线。他推理说，这意味着放置在导线附近的磁极不应被吸向导线或被导线排斥，而应倾向于沿圆形路径绕导线运动。

1821年9月3日和4日，法拉第进行了他著名的电磁旋转实验。他架设了一个盛水银的容器，其中固定嵌入一根竖直向上的磁铁，一根柔性导线的一端浸入水银并连接到电池。当电流流过时，导线的自由端围绕磁铁连续旋转，沿圆周运动。他还演示了互补的情形：导线固定，而磁铁悬浮在水银中可自由旋转，当电流流过时同样产生连续旋转。这是连续电磁旋转的首次演示，并且在原理上构成了第一台电动机。