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如果说经典力学是围绕着力的概念构建的，热力学和统计力学是围绕着能和熵的概念构建的，那么电动力学就是围绕着场的概念构建的。牛顿提出的力的概念第一次探索了事物运动背后的原理；热力学上能的概念第一次让我们对运动状态的改变有了认识，这个在爱因斯坦发现质能公式时达到了顶峰；熵的概念让我们对运动的方向有了清醒的认识，熵概念带给我们的更多可能还在继续。今天我们认识电磁学带给我们的场的概念。 我已经写了两篇电磁学方面的文章，第一篇是对电与磁的基本现象的认识，第二篇是关于电流和欧姆定律的，并且尝试用电场的概念去解释欧姆定律。今天我们要进一步认识场的概念，这样也会有利于你对第二篇文章和场的理解。预计我会再写两篇文章，今天这篇文章讲述场的实验基础——奥斯特发现电生磁现象和法拉第的电磁感应定律，下一篇我们了解场的理论知识——麦克斯韦方程组。科学上总是这样，前期是很多实验素材的积累，后期是理论的建立。没有前期实验素材的积累，一般也不会有后期理论的建立。在麦克斯韦方程组建立之前，关于电磁学方面的实验素材特别多。比较重要的有欧姆定律、奥斯特实验、法拉第电磁感应实验等等。关于场论，最重要的两个实验基础就是奥斯特实验发现的电生磁现象和法拉第电磁感应实验发现的磁生电现象。1820年，丹麦物理学家奥斯特在一次讲座中，无意间发现了一个奇特的现象。他用通电导线靠近一个小磁针时，发现小磁针动了一下。这个小小的现象如果换做别人，可能不会重视。但是奥斯特一直在关注电与磁的研究，而且奥斯特深受康德的影响，认为世间万物都是相互联系的。所以当奥斯特看见通电导线让小磁针发生了偏转时，他喜出望外，竟激动地在讲台上摔了一跤。之后，奥斯特花了三个月，做了多次实验，发现磁针在电流周围就会偏转。在导线的上方和导线的下方，磁针的偏转方向相反。在导体和磁针之间放置非磁性物质，例如木头、玻璃、磁针等，都不会影响磁针的偏转。这就是奥斯特实验发现的电流磁效应。奥斯特实验是一个偶然的发现，但是它在物理学上具有划时代的意义。在奥斯特实验之前，人们对电和磁的认识一直是单独的、孤立的，奥斯特实验使人们第一次认识到了电和磁的联系。奥斯特实验告诉了我们什么呢？奥斯特实验揭示了一个十分重要的本质——电流周围存在磁场，电流是电荷定向运动产生的，所以导线周围的磁场实质上是运动电荷产生的。我们现在知道，电和磁本质上都是电荷产生的不同物质，不管电荷静止或者运动，都会产生一个电场；但是当电荷运动起来时，除了产生一个电场之外，还会产生一个磁场。在相对论上，磁场是电场的相对论效应。奥斯特发现的电流磁效应有一个奇怪的地方，之前所有的物体之间的作用力都是在两个物体的连线上，而电流磁效应的力是在电流和磁针的垂直方向上。在奥斯特通过著名的“奥斯特实验”发现电流的磁效应后，法国物理学家安培又进一步做了大量实验，研究了磁场方向与电流方向之间的关系，并总结出安培定则，也叫做右手螺旋定则。既然电可以生磁，那么磁可不可以生电？这成为了奥斯特发现电流的磁效应之后又一个重大科学命题。回答这个问题的科学家就是法拉第。法拉第出生在一个贫穷的家庭，仅仅只上过小学。后来在做学徒的时候自己阅读过一些自然科学方面的书籍，尤其是《大英百科全书》对他影响较大。后来法拉第自荐成为了著名化学家戴维的实验室助手，从此开始了自己的科学生涯。戴维也是一位一生做出过很多成就的科学家，但是他说，他对科学最大的贡献是发现了法拉第。1831年，距离奥斯特发现电流磁效应已经过去了十年。这十年间，法拉第在不断地重复着试验、失败、再试验、再失败。法拉第将他一生所有的实验都做了详细的记录。可以说，法拉第的一生就是记笔记的一生。他像别人每天写日记一样来写自己的工作笔记，他会真实地记录下所有的实验细节和实验数据。终于在1831年的某一天，法拉第发现了电磁感应现象，即磁也可以生电。也在那一年，法拉第发明了人类史上第一个发电机——圆盘发电机。法拉第的电磁感应实验和奥斯特实验一样简单。实验器材只需要一个螺线管或其他电路、一根磁棒以及一种检验电流存在与否的验电器。开始时，在构成一个闭合电路的螺线管附近放一个静止的磁棒。因为不存在电源，导线中没有电流通过。这里只有不随时间而变化的一个磁棒出生的静磁场。然后我们很快地改变磁棒的位置，或者移开点，或者挨近点。在这个时刻，验电器显示电路中有电流产生，随即又消失了。每当磁棒位置改变一下，电流就会重新出现。通过法拉第的电磁感应实验我们可以发现什么呢？根据场论的观点，电流的产生表示有一个电场的存在，这个电场迫使电荷在导线中流动。当磁棒静止时，电流变消失了，电场也同时消失了。可以简单总结为：磁场的变化——感生电流——带电体的运动——电场的存在。所以我们可以最终得出这样一个结论：一个变化着的磁场总是伴随着一个电场。于是我们找到了支持电场和磁场的两个最重要的支柱。第一个是变化着电场跟磁场的结合。它是从奥斯特关于磁针发生偏转的实验上形成的，并且得出了这样的结论：变化着的电场总是伴随着磁场。第二个是把变化着的磁场跟感生电流结合起来，它是从法拉第的电磁感应实验中形成的。事实上，这两个支柱可以化成一个，就是说，化成奥斯特实验的那一个，法拉第的实验结果可以根据能量守恒定律从奥斯特实验推论出来。场的概念是法拉第首先提出来的，而且它的提出要晚于这两个重要的实验。1837年，法拉第才引入了电场和磁场的概念，指出电和磁的周围都有场的存在，从而打破了牛顿力学“超距作用”的传统观念。1838年，法拉第提出了电力线的新概念来解释电、磁现象，这是物理学理论上的一次重大突破。1852年，法拉第又引进了磁力线的概念，从而为经典电磁学理论的建立奠定了基础。后来，英国物理学家麦克斯韦用数学工具研究法拉第提出来的场，最后完成了经典电磁学理论。在我们的日常生活中，我们都会有这样的经验——当我们有时候把电灯关了时，电灯泡可能会闪一下才灭了。这其实就是电流的突然断绝而产生的强烈而短暂的感生电流的现象。任何人把电流弄断都会注意到一个火花的产生。这个火花正显示了由于磁场的迅速变化而产生了很强的电势差。从能得观点看，这个火花就代表能，磁场一消失就产生了火花，因而磁场也一定代表能。故可以证明场也是具有能量的，是一种真实存在的物质。最后我们还必须花点时间再说说法拉第。爱因斯坦总是爱把法拉第-麦克斯韦放在一起说，而且他是把法拉第-麦克斯韦是和伽利略-牛顿相提并论的。爱因斯坦在他的学习墙上放了一张法拉第的照片，并将其与牛顿和麦克斯韦放在一起。这些足可以说明法拉第的伟大了。法拉第只上过小学，他的数学水平很低，但是他在实验方面无人可敌。他是有史以来最伟大的实验物理学家之一，被称为“实验之神”，排在他后面的是另一个伟大的实验物理学家卢瑟福。法拉第的一生是伟大的，法拉第其人又是平凡的。法拉第曾经谢绝了皇家学会拟选他为会长的提名，他甘愿以平民的身份实现献身科学的诺言，终身在皇家学院实验室工作一辈子，当一个平凡的迈克尔·法拉第。最让我最感动的是他非常热心科学普及工作，我所有对科普的想法都来自于法拉第。法拉第在他那个年代曾发起举行星期五晚间讨论会和圣诞节少年科学讲座。他在100多次星期五晚间讨论会上作过讲演，在圣诞节少年科学讲座上讲演达十九年之久。他的科普讲座深入浅出，并配以丰富的演示实验，深受欢迎。法拉第最有名的科普演讲是《蜡烛的化学史》，是我小时候读过的最重要的有关科普方面的书籍之一。《蜡烛的化学史》是一本薄薄的小册子，一般都是作为书里面的一章发行的，但是其内容非常丰富。如果大家对科学科普感兴趣，推荐大家去找来读读。虽然已经过去一百多年来，但是它一点也不会过时。我很感谢法拉第，是他让我喜欢上科学的，也是他影响我做科普的。最伟大的科学家队伍，永远有法拉第一个位置。
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