现代电磁科学祖宗法拉第和麦克斯韦 法拉第和麦克斯韦

现代社会离不开电。电动机、发电机随处可见。没有这两个机,实现机电液一体化就是空谈。我个人认为从人类社会发展阶段本质区别来看只出现了两次技术大革命,一次是约几十万年前人工掌控火,一次就是约两百年前人工掌控电。人工钻木取火技术发明人,中国有比黄帝还早的始祖燧人氏,西方的普罗米修斯似乎比燧人氏晚,西人烹调技术因此弱于中国人,现在还喜欢生吃,存在茹毛饮血残余习气。

引领开启人类进入电时代的著名科学家,西方人写的科技史只有欧罗巴人。中国人写的科技史,喜欢扯是中国人最早发明指南针(战国司南),古典文学记载有磁石招铁、琥珀拾芥。最有力的证据是北宋沈括《梦溪笔谈》记载了地磁偏角现象,似乎在电磁科学研究方面为中国祖先争得一席之地。

客观公正而言,人类进入电时代,在现代电磁科学技术研究和开发方面,中国人确实没有做出多少实际贡献。西欧人在探索电磁科学规律时候,发明各种电磁产品的时候,中国清朝从皇帝到民众还视科技为奇技淫巧,知识阶层都在当官路、科举路上奔忙,在考据学故纸堆里用力。今日电磁学国际单位制名都是欧洲人氏,电荷库仑、电压伏特、电流安培、电阻欧姆、电容法拉、电感亨利、电导西门子等一大堆,没见一个中国人氏。在电磁技术发明方面,如电池、电动机、发电机、电解槽、电影、电报、电话、电冰箱、电火车、电灯、电视、电脑等等,发明人都是欧美人氏,没见一个中国人氏。

19世纪电磁学开创时代实际上是一个科学群星璀璨的时代,我很想找出17世纪机械力学牛顿那样的顶级科学大师来代表19世纪的电磁学。衡量了半天,感觉没有一个电磁学的牛顿存在。把法拉第(MichaelFaraday,1791-1867)和麦克斯韦(James ClerkMaxwell,1831-1879)两位在电磁学方面的科学贡献综合起来,也许可以与牛顿稍微伯仲,在此我就把两个英国人合成一个姓名法拉第.麦克斯韦,集体品析一下。

法拉第在电磁学领域中的贡献我觉得与开普勒在牛顿创立机械力学体系中的贡献有点相像。开普勒提出了太阳系三大天文学表象定律,迈出了牛顿力学体系和牛顿四大定律建立中最困难最关键的一步。法拉第发现电磁感应现象和电磁感应定律,提出场的概念,实际也是麦克斯韦建立电磁学四大数学方程中最困难最重要的一环。麦克斯韦是19世纪电磁学研究的集大成者,可以认为他扮演了电磁学中的牛顿一角。

法拉第和麦克斯韦都是英国人,一个生在伦敦附近钮英顿,一个生在爱丁堡。考量一生,两个人没有血缘、学缘、师生关系。法拉第,一个书店学徒,阴差阳错,上帝保佑,22岁时有幸成为英国皇家科学研究院院长和英国皇家学会会长戴维(1778-1829)的仆人和助手。这个戴维以电解法发现化学元素钠、钾、氯等和发明煤矿用瓦斯安全灯著名,有点大爷脾气。他对于法拉第的毛遂自荐,起始也许出于一种怜悯心态,收下法拉第这个手艺高超的装订工做助手。戴维对法拉第在电磁方面的实验并不看重,内心或斥为游戏玩儿实验。法拉第为人谦和,做秘书,做助手,做仆人,鞍前马后,服侍戴大人很精心,很到位,让戴维挑不出漏眼。他管理实验室井井有条,让同仁服气。

戴维后来看到法拉第从科学研究的幕后逐渐走向前台,抢了自己的镜头,内心有点不安逸。幸好英国人比较有绅士风度,有了牛顿、胡克前车之鉴,戴维没能再凭借权力和主人、师尊地位强硬打压住法拉第。最后法拉第在会长戴维一票反对的情况下成为英国皇家学会会员。与德国的克罗内克把自己学生康托尔逼疯,戴维在人格上要相对高出一截。今日我看法拉第的电磁科学技术研究对于人类社会的实际贡献远远超出了老师戴维对化学元素的发现。戴维末年有了反省,有人问他一生最伟大的发现是什么,他没有提自己发现的化学元素,只是说:“我最伟大的发现是法拉第”。戴维没有预见到他死后,法拉第还能做出人类科技史上最伟大的发现--电磁感应。戴维在天有灵,也许会忏悔自己当年不该投那反对票,应该对小他13岁的跟班、听差法拉第更好一点。

法拉第1831年发现电磁感应现象,通俗解释就是“磁生电”,专业解释就是“无源闭合电路内部磁通量发生变化才能产生电流”。奥斯特早在1820年就发现了“电生磁”现象,其后欧洲科学家群雄逐鹿,人人梦想取得发现“磁生电”现象和规律的优先权。整整等了11年,最后让实验员法拉第拔得头筹。后人追叙这段科学历史,有的归功于法拉第运气好,实验技艺高超;有的对于法拉第有点嫉妒。幸好法拉第没有因发现这个电磁感应现象就止步,进而反复进行对比实验论证,数学公式化,提出法拉第电磁感应定律和法拉第电解化学定律。

法拉第本心那时也许很想一鼓作气成为电磁学的牛顿,这个时候唯有可惜他出生贫寒,青少年时代只初中毕业,数学功底没有扎深扎好,不然不会等待麦克斯韦来一统电磁光领域。我看法拉第在电磁学研究群星中最具科学原创思维。他敢于打破常规,提出与牛顿力学格格不入的“场--力线”概念来解释电磁科学现象。“场”这个词今日在科学中用得很滥,机械学有应力场,热学有温度场,流体学有流场,天体学有引力场,连社会学也有气场,哲学上更把“场”作为一种客观物质看待。中学物理实验最爱演示撒铁须粉兆示电磁场力线分布。我个人感觉物理学最难理解的地方就是电磁场、引力场等的客观实在性,我宁愿相信场是一种方便数学解释的主观物。由于法拉第率先提出“场”,比较好用,便于直观比附,“场”也就大行其道。如果一切物理运动都需要“场”这个媒介,电磁波对应电磁场,引力波对应引力场,二者传播速度都是光速极限,这很让人联想电磁场和引力场似乎就是一个东西的两面。爱因斯坦想统一电磁场和引力场,研究统一场论,直到今日还是个未知数。我个人觉得如果现代宇宙学各级天体运动现象统一依靠引力场来维持解释,可是恒星距离如此遥远,引力又按距离平方规律减小,这种引力场效果已经趋于无穷小,引力波传递时间趋于无穷大。现代天文科学家为了自圆其说,提出银河系中心存在大质量黑洞和暗物质、暗能量等来解释银河系和河外星系涡旋运动和结构。那么总星系(银河系和河外星系群体)如果存在大尺度的总体涡旋运动,科学家又该如何解释呢?

追溯今日宇宙玄学的真正鼻祖,我看是法拉第,不是爱因斯坦。没有法拉第的“场”概念,就没有麦克斯韦的四个电磁学数学方程;没有麦克斯韦的数学方程,就没有电磁波的预言,就不能发现惯性系伽利略变换对于电磁现象不守恒,因为测得光速永远不变;没有光速永远不变,就没有爱因斯坦相对论、宇宙论出生。严格来讲,同样也是这个法拉第,率先研制出了电动机、变压器、发电机的第一台雏形样机,单从电磁技术产品原创发明和重要性角度,我觉得法拉第似乎超出了前世的牛顿、后世的爱迪生。

麦克斯韦是法拉第的小字辈,他生年正巧与法拉第发现电磁感应现象同年,是苏格兰出的少年天才,1865年第一次推导出电磁现象统一四大数学方程,让法拉第死也瞑目。麦克斯韦的基本思想是从对偶观点出发,依据法拉第证明变化的磁场产生电流,提出位移电流假设,认为“变化的电场激发磁场,变化的磁场激发电场”,这实质就是电磁波预言。他推算出电磁波速度与光速恰好一致,都是30万公里每秒,因此大胆推断认为光就是一种电磁波。麦克斯韦可惜死早了,不足50岁,没有见到他预言的电磁波在1888年被德国赫兹(1857-1894)实验证实。

麦克斯韦1873年出版的科学名著《电磁通论》比较厚重,微积分公式到处都是,读起来让人打脑壳。麦克斯韦方程的积分形式和微分形式数学上是很对称、漂亮、简洁,但是使用不方便,主要用于电磁场、电磁波空间有限元分析。今日电与磁基本还是独立分析、独立计算居多。电方面欧姆定律、库仑定律和克希霍夫定律比较简明实用;磁方面法拉第定律、毕萨拉定律、安培定律比较易懂好用。电路、磁路都是有形的,电路有电阻、电势,磁路有磁阻、磁势,可以对称比拟分析。电磁学术语丛林,我唯一觉得遗憾就是汉语称呼没有完全对称统一,如电场强度对应量不叫磁场强度,而叫磁感应强度之类。

按照麦克斯韦电磁对偶统一基本观点,电有正电荷和负电荷,有吸引和排斥。磁有南极和北极,也有吸引与排斥。电荷可以正负分开,磁棒按理也应该能南北分拆,可是迄今没有发现磁单极子存在。我觉得这或许兆示法拉第.麦克斯韦的电磁场理论存在本质瑕疵,等待新新人类科学家去发现、去修正。

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