1791年9月22日,伦敦城南纽因顿巴茨的一条窄巷里,铁锤砸在烧红的铁砧上,火星四溅。
一个男婴在这间铁匠铺的隔壁降生。
父亲詹姆斯·法拉第体弱多病,打铁的收入勉强让妻子和四个孩子不挨饿。
据法拉第后来回忆,有时候全家每个人一周只能靠一个面包过活。
这个孩子叫迈克尔·法拉第。
他没有受过什么像样的教育,只在一所教会学校读了两年小学,学会了基本的读写和算术。
谁也不会想到,几十年后,正是这双从铁匠铺里伸出来的手,将点亮整座城市,点亮工厂、轮船、电报,点亮整个现代文明。
而他自己,终身拒绝贵族头衔,到死都只是一个“普普通通的迈克尔·法拉第”。
法拉第的童年几乎没有什么明亮的事情。
伦敦的雾气、铁砧的敲击声、母亲的洗衣盆、父亲咳血的声音,构成了他最早的记忆。
到了十三岁,父亲已经无力支撑这个家,他被送到布兰福德街一家书店和装订铺当跑腿的小伙计,老板是法国流亡者乔治·里波,一个和善的人,很快收他做了学徒。
里波的书店承接了不少学术书籍的装订生意,书架上的书从莎士比亚到《大英百科全书》第三版,什么都有。
法拉第每天的工作是把印张折叠、穿线、压平、上封皮。
但他不只干活,他读。
他把自己装订过的每一本有意思的书都打开来读,白天装订,晚上阅读。
他后来说过:“有两本书对我特别有帮助,一是《大英百科全书》,我从它那里第一次得到电的概念;一是马塞特夫人的《化学对话》”。
《大英百科全书》第三版里有一篇关于电的长文,讲的是静电、莱顿瓶、闪电,字里行间描述着看不见的力量如何从摩擦的玻璃棒跳到金属球上。
一个十四岁的装订学徒站在书店的柜台后面,被这些文字钉住了。
他不仅读书,还动手做实验。
他利用废旧的瓶子、铜丝、硫磺块,自己做了一台静电起电机。
他组织了几个同样对科学感兴趣的年轻人,成立了一个小小的学习小组,互相轮流讲演,讨论电、讨论化学、讨论自然哲学。
他还花钱去听塔特姆先生的自然哲学讲座,门票虽然不贵,但对他微薄的收入来说也是一笔不小的开销。
每听一次,他都要把笔记整理得干干净净,工工整整地抄在本子上。
这个习惯将伴随他一生。
1812年,改变他命运的机会来了。
一位常来店里装订书籍的顾客,是皇家学会的会员,得知这个年轻学徒对科学的痴迷后,送给了他四张票——皇家研究院的化学讲座,主讲人是当时英国最耀眼的化学家汉弗里·戴维。
法拉第坐在皇家研究院的讲演厅里,听着戴维讲化学,讲元素,讲电与物质的秘密。
他拼命记笔记,不仅记内容,还画下戴维演示的每一个实验装置,还根据戴维讲的内容补充彩色的示意图。
讲座结束后,他把这386页的笔记装订成了一本精致的书册,寄给了戴维本人,附上一封自荐信,表示自己愿意为科学做任何工作。
戴维当时正在疗养,眼睛因为一次化学实验事故受了伤,身边确实需要一个能干的助手。
他看了法拉第的笔记,感动于这个年轻人的真诚与细致。
1813年初,戴维把法拉第叫到皇家研究院面试。
那一年法拉第21岁,戴维34岁。
一个是名满欧洲的化学家,一个是从未上过大学的装订学徒。
戴维问了他几个问题,然后说:来吧,实验室需要一个洗瓶子的人。
1813年3月,法拉第正式成为皇家研究院实验室的助手,薪水比学徒还低,住阁楼,吃简餐,但他终于进入了科学的大门。
仅仅几个月后,戴维决定带着妻子去欧洲大陆进行一次历时一年半的科学考察,法拉第以助手和秘书的身份随行。
这一趟旅程,法拉第认识了安培、盖·吕萨克、伏特等欧洲最顶尖的学者。
他第一次见识到了欧洲大陆的科学氛围。
但旅途中,戴维夫人始终把他当仆人看待,吃饭时让他和佣人一桌,赶路时让他坐在马车外面。
法拉第没有抱怨。
他把所有的时间都用来看实验、记笔记、思考问题。
1815年回到伦敦后,法拉第在皇家研究院的实验室里开始了自己的研究。
他跟随戴维研究氯气液化、矿工安全灯,自己的实验能力和理论直觉迅速成长。
但真正让他“独立”的,是一件事——1821年,他发表了关于电磁旋转的论文,制作了一台让通电导线绕磁铁持续旋转的装置,这是人类历史上第一台电动机的雏形。
然而,他在论文中忘记提及戴维和另一位科学家沃拉斯顿的相关工作。
这引起了一场不愉快,戴维在很长一段时间里对法拉第冷淡以对。
1824年,法拉第被提名皇家学会会员时,身为会长的戴维投了唯一一张反对票。
不过多年后,有人问戴维一生最大的成就是什么,这位发现了十五种元素的化学家说:“我一生最大的发现,是发现了法拉第。”
从1821年到1831年,整整十年,法拉第被一个问题紧紧攫住。
1820年,丹麦物理学家奥斯特做了一个著名的实验:通电导线旁边的小磁针会偏转。
这说明电可以产生磁。
法拉第想的问题是:既然电能生磁,那磁能不能生电?
这个问题困扰了欧洲所有的物理学家,包括安培。
法拉第用了十年时间去尝试。
他在1822年12月、1825年11月和1828年4月做过三次集中的实验研究,每一次都以失败告终。
他用两根平行导线,一根通电,另一根接电流计,期待看到电流计的指针动起来。
他试过把磁铁放在螺线管旁边,试过用各种方式排列线圈。
但指针始终一动不动。
原因是他和其他人一样,在等待一个“恒定”的效应——奥斯特的实验显示,稳定电流产生稳定磁场,那么稳定磁场就应该产生稳定电流。
这个假设是错的。
但他没有停止。
1831年8月29日,他在实验室里做了一个新的尝试。
他找来一根软铁圆环,外径6英寸,在环的两侧分别绕上两组互相绝缘的铜线圈。
一组线圈接上伏打电池,另一组线圈的两端连着一根铜导线,导线通过一段距离,恰好经过一根磁针下方,距离铁环三英尺。
他在日记里写道:“把线圈A的两端接到电池上,立刻对小磁针产生了明显的扰动,之后小磁针又回到原来的位置上。
在断开线圈A与电池的连接时,小磁针又受到了扰动。”
那一瞬间,法拉第看到磁针抖了一下,然后回到原位。
通了,断了,又抖了。
他的心脏猛烈地跳起来。
十年的失败,答案就在这一瞬间跳动的指针里:感应电流只在变化的瞬间出现,稳定状态之下它不会持续存在。
“磁生电”不是一种恒定效应,而是一种瞬间效应,一种在变化和运动过程中才出现的效应。
他立刻着手设计实验,把磁铁插入线圈、抽出线圈,每一次都看到电流计的指针偏转。
他做了数十个实验,把产生感应电流的情形归纳为五种类型:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体。
1831年11月24日,他向皇家学会提交了关于电磁感应的报告,将这种现象正式定名为“电磁感应”,产生的电流称为“感应电流”。
后世一位科学史家这样评价这一天:“法拉第发现并揭示了自然界的一个伟大奥秘,它意味着工业革命的结束和电气时代的开端。”
但法拉第不是一个停留在发现上的人。
发现电磁感应后,他马上想到:如果磁铁进进出出能让电流产生,那能不能让电流持续地流出来?
磁铁进来出去是间歇的,能不能让它不停地转?
他回想起阿拉果曾经做过的一个实验——旋转的铜盘能带动磁针。
1831年10月28日,他做了一个后来改变人类命运的装置。
在一个电流计的两个接线柱上接上两个电刷,然后拿一块铜盘,让铜盘绕轴在一个均匀磁场中旋转。
他把两个电刷分别放在铜盘的各个部位,反复调试。
终于,当铜盘匀速旋转起来的时候,电流计指针偏转了,而且持续偏转,稳定不动。
电流产生在由圆心到边缘的半径方向上,只要铜盘保持匀速旋转,电流就一直稳定不变。
这就是人类历史上第一台发电机,法拉第盘。
机械能第一次被持续地转化为了电能。
虽然它输出的电压很低,只能让电流计的指针微微偏转,但原理已经确立:转动的铜盘切割磁感线,感应电动势从圆心流向边缘。
此后所有的发电机——火力、水力、核能、风力——都不过是让不同的东西去转动,而真正做功的,永远是铜盘旋转的那一瞬间所揭示的那个原理。
也是在这个时期,法拉第提出了物理学史上最具革命性的概念之一:“场”。
在他之前,牛顿的引力理论认为力的传递是“超距作用”——两个物体隔空直接作用,不需要任何媒介。
法拉第不同意。
他观察到,把磁铁放在一张纸下面,把铁屑撒在纸上面,轻轻敲击纸面,铁屑会排列成一条条规则的曲线,从磁铁的一极延伸到另一极。
这些曲线是什么?
不是铁屑本身,而是磁力的分布形状。
他给了它们一个名字:磁力线。
在磁力线的启示下,他提出:电和磁的周围存在着“场”,场的强度和方向可以用力线来表示。
力线不是数学的虚构,而是真实的物理存在;场的作用不是突然发生的,而是经过力线逐步传递的。
当时的科学界很多人不理解他。
法拉第不擅长数学,他的论文中几乎没有一条公式,写的是实验描述和物理图像。
但后来麦克斯韦读懂了。
麦克斯韦说,法拉第的思想“具有非凡的原创性”,他将这些思想改造为数学形式,写出了电磁场方程组,并从中推导出一个惊人的结论:光是一种电磁波。
赫兹在1887年用实验证实了电磁波的存在。
爱因斯坦后来将这场变革称为“自牛顿以来理论物理学中第一个伟大的重要的进步”,并将其与法拉第、麦克斯韦和赫兹的名字联系在一起。
法拉第还曾做过一个令人费解的预言:电磁作用可以以波的形式传播,而光可能就是一种电磁波。
他没有活到赫兹证明的那一天,但他在1832年就把这个想法封存在一封信里,交给皇家学会保管,随时可以打开。
法拉第的一生中有太多可以变得极为富有的机会。
他发明了发电机、电动机、变压器,这些发明如果申请专利,他本可以成为维多利亚时代最富有的人之一。
但他一项专利也没有申请。
他相信科学知识属于全人类,不应被任何人独占。
1835年,英国皇室准备册封他为爵士。
他婉言谢绝了,说“我以生为平民为荣,并不想变成贵族”。
同年,内阁首相罗伯特·皮尔爵士建议设立一种年金奖励对科学作出突出贡献的人,法拉第最初也推辞了。
1857年,皇家学会会员推举他继任皇家学会会长,这是一位科学家在英国所能得到的最高荣誉——牛顿曾经担任这个职务。
法拉第拒绝了。
他说:“到死我都是普普通通的迈克尔·法拉第。
我如果接受了皇家学会希望加在我身上的荣誉,那我就不能保证自己的诚实和正直,连一年也保证不了。”
英国女王又提议将他安葬在威斯敏斯特教堂,与牛顿为邻。
他也拒绝了。
克里米亚战争期间,英国政府请他主持研制化学武器,他断然拒绝。
但对于给普通人、给孩子做科普讲座,法拉第从不拒绝。
从1825年圣诞节开始,皇家研究院开始举办面向青少年的圣诞科学讲座,法拉第是创始人和最热心的主讲人。
从1826年到1862年退休,他在星期五晚间讨论会上作过一百多次演讲,在圣诞讲座上定期演讲长达十九年。
1860年圣诞节,他做了六次系列讲座,主题是“蜡烛的故事”。
面对台下几百个孩子,他拿着一根蜡烛走上讲台,从蜡烛是怎么做的讲起,讲它为什么能燃烧,火焰是怎么构成的,燃烧后产生了什么,水是什么,二氧化碳是什么。
他用一个又一个实验,一步一步地把这些看似简单的问题抽丝剥茧地展开。
孩子们睁大了眼睛看着他,看着火焰在玻璃管中变形,看着水滴在冰冷的玻璃上凝结,看着石灰水因为通入蜡烛燃烧的气体而变浑浊。
他用最简单的语言讲最深刻的科学,告诉孩子们:科学不是遥不可及的东西,它就在你每天点蜡烛、烧水、呼吸的每一个瞬间里。
他说过:“科学应该为大家所了解,而且要从孩子开始。”
这些讲稿后来被整理成书,书名就叫《蜡烛的故事》,被翻译成多种文字,成为科普文学的经典。
英格兰银行在1993年发行的20英镑钞票上,印的正是法拉第在皇家研究院做圣诞讲座的画面——一个头发花白的老人,站在讲台前,手中举着一根蜡烛。
1848年,维多利亚女王将汉普顿宫的一套住所赠予法拉第,免除一切费用。
他在那里度过了生命的最后岁月。
但他的健康在逐年下降。
1836年,他的右膝曾经剧烈疼痛。
1855年,他因为精神衰退而停止了研究,但仍然坚持讲座直到1861年。
1862年,他最后一次站在皇家研究院的讲台上。
1865年,他结束了与皇家研究院五十多年的关系。
晚年的法拉第失去了大部分记忆力,但他仍然住在那座安静的房子里斯。
妻子撒拉一直陪着他,他们没有孩子。
在日记里他写过一句话:“在我的一生中,对我的喜悦与心理健康,最有帮助的就是婚姻。”
1867年8月25日,迈克尔·法拉第坐在汉普顿宫书房里的椅子上,安静地去世了。
享年七十五岁。
他没有葬在威斯敏斯特教堂。
他葬在海格特公墓的非国教墓区,墓碑上刻的是最简单的一行字。
他生前说过:“我的墓碑上,只需刻下这个名字。”
他选择了海格特公墓,与他一生信仰的桑德曼教会教徒们葬在一起。
他留下的东西,比任何墓碑都更长久。
他发现的电磁感应原理,变成了发电厂的涡轮,变成了城市夜空中亮起的灯火,变成了电报线里穿梭的信号,变成了电动机里旋转的转子,变成了变压器里流动的电流。
1831年10月28日那个旋转的铜盘,是人类第一次亲手握住了自然之力。
此后一百九十四年,从伦敦到上海,从纽约到新德里,所有亮着灯的地方,都有一根看不见的线,连着汉普顿宫书房里那把安静的椅子,连着1831年那根抖动的磁针,连着纽因顿铁匠铺里敲打铁砧的那个少年。
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